Solceller är enheter som absorberar fotoner från solljus och omvandlar sin energi till rörliga elektroner - vilket möjliggör produktion av ren energi och tillhandahåller en pålitlig väg för att bekämpa klimatförändringar. Men de flesta solceller som används i dag är tjocka, skör och stel, vilket begränsar deras tillämpning till plana ytor och ökar kostnaden för att göra solcellen.

"Tunnfilmsolceller" kan vara 1/100 av tjockleken på ett papper och tillräckligt flexibel för att pryda ytor som sträcker sig från en aerodynamiskt snygg bil till kläder. För att göra tunnfilms solceller, forskare går bortom de "klassiska" halvledarföreningarna, såsom galliumarsenid eller kisel, och arbetar istället med andra lättskördande föreningar som har potential att bli billigare och lättare att massproducera. Föreningarna kunde antas allmänt om de kunde prestera lika bra som dagens teknik.

I en tidning som publicerades online i våras i tidningen Nature Photonics , forskare vid University of Washington rapporterar att en prototyp av halvledartunnfilm har fungerat ännu bättre än dagens bästa solcellsmaterial vid avgivande av ljus.

"Det kan låta udda eftersom solceller absorberar ljus och förvandlar det till elektricitet, men de bästa solcellsmaterialen är också bra på att avge ljus, "sade medförfattare och professor i kemiteknik vid UW, Hugh Hillhouse, som också är fakultetsmedlem med både UW:s Clean Energy Institute och Molecular Engineering &Sciences Institute. "Faktiskt, vanligtvis desto mer effektivt de avger ljus, ju mer spänning de genererar. "

UW -teamet uppnådde rekordprestanda i detta material, känd som en blyhalogenidperovskit, genom att kemiskt behandla det genom en process som kallas "ytpassivering, "som behandlar brister och minskar sannolikheten för att de absorberade fotonerna kommer att gå till spillo snarare än omvandlas till användbar energi.

"Ett stort problem med perovskitsolceller är att för mycket absorberat solljus slutade som slösad värme, inte användbar el, "sa medförfattaren David Ginger, UW -professor i kemi och chefsvetare vid CEI. "Vi är hoppfulla att ytpassiveringsstrategier som detta kommer att bidra till att förbättra prestanda och stabilitet för perovskitsolceller."

Ginger's och Hillhouses team arbetade tillsammans för att visa att ytpassivering av perovskiter kraftigt ökade prestandan till nivåer som skulle göra detta material bland det bästa för tunnfilms solceller. De experimenterade med en mängd olika kemikalier för ytpassivering innan de hittade en, en organisk förening som är känd under dess förkortning TOPO, som ökade perovskitprestandan till nivåer som närmar sig de bästa galliumarsenidhalvledarna.

"Vårt team vid UW var ett av de första som identifierade prestandabegränsande defekter på ytorna av perovskitmaterial, och nu är vi glada över att ha upptäckt ett effektivt sätt att kemiskt konstruera dessa ytor med TOPO -molekyler, "sa medledarförfattaren Dane deQuilettes, en postdoktor vid Massachusetts Institute of Technology som genomförde denna forskning som UW kemidoktorand. "I början, vi blev verkligen förvånade över att upptäcka att de passiverade materialen verkade vara lika bra som galliumarsenid, som håller solcellens effektivitetsrekord. Så för att dubbelkolla våra resultat, vi utarbetade några olika tillvägagångssätt för att bekräfta förbättringarna av perovskitmaterialkvalitet. "

DeQuilettes och medförfattare Ian Braly, som genomförde denna forskning som doktorand i kemiteknik, visade att TOPO-behandling av en perovskit halvledare signifikant påverkade både dess inre och yttre fotoluminescens kvanteffektivitet-mätvärden som används för att avgöra hur bra ett halvledande material är att utnyttja en absorberad foton energi snarare än att förlora den som värme. TOPO-behandling av perovskiten ökade den interna fotoluminescenskvanteffektiviteten tiofaldigt-från 9,4 procent till nästan 92 procent.

"Våra mätningar som observerar effektiviteten med vilken passiverade hybridperovskiter absorberar och avger ljus visar att det inte finns några inneboende materialfel som förhindrar ytterligare förbättringar av solceller, "sa Braly." Vidare, genom att anpassa emissionsspektra till en teoretisk modell, vi visade att dessa material kunde generera spänningar 97 procent av det teoretiska maxvärdet, lika med världsrekordet galliumarsenid solceller och mycket högre än rekordkiselceller som bara når 84 procent. "

Dessa förbättringar av materialkvalitet förutses teoretiskt att möjliggöra effektomvandlingseffekten mellan ljus och elektricitet för att nå 27,9 procent under normala solljusnivåer, vilket skulle driva det perovskitbaserade solcellsrekordet förbi de bästa kiselanordningarna.

Nästa steg för perovskiter, sa forskarna, är att demonstrera en liknande kemisk passivering som är kompatibel med lätt tillverkade elektroder - samt att experimentera med andra typer av ytpassivering.

"Perovskiter har redan visat oöverträffad framgång i solcellsanordningar, men det finns så mycket utrymme för ytterligare förbättringar, "sa deQuilettes." Här tror vi att vi har gett en väg framåt för samhället för att bättre utnyttja solens energi. "