Forskare från University of Toronto Engineering och King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) har övervunnit ett viktigt hinder för att kombinera perovskites framväxande teknik för solavverkning med den kommersiella guldstandarden-kiselsolceller. Resultatet är en mycket effektiv och stabil tandemsolcell, en av de bäst presterande rapporterade hittills.

"I dag, kiselsolceller är mer effektiva och billigare än någonsin tidigare, "säger professor Ted Sargent, seniorförfattare på ett nytt papper publicerat idag Vetenskap . "Men det finns gränser för hur effektivt kisel kan vara på egen hand. Vi är fokuserade på att övervinna dessa gränser med hjälp av ett tandem (tvåskikt) tillvägagångssätt."

Som kisel, perovskitkristaller kan absorbera solenergi för att excitera elektroner som kan kanaliseras in i en krets. Men till skillnad från kisel, perovskiter kan blandas med vätska för att skapa ett "solfärg" som kan skrivas ut på ytor.

Den bläckbaserade tillverkningsmetoden-känd som lösningsbearbetning-är redan väletablerad inom tryckindustrin, och har därför potential att sänka kostnaden för att göra solceller.

"Att lägga ett lager perovskitkristaller ovanpå texturerat kisel för att skapa en tandemsolcell är ett bra sätt att förbättra dess prestanda, "säger Yi Hou, postdoktor och huvudförfattare till den nya uppsatsen. "Men den nuvarande industristandarden är baserad på skivor - tunna ark av kristallint kisel - som inte var utformade med detta tillvägagångssätt i åtanke."

Även om de kan se smidiga ut, standard kiselskivor som används för solceller har små pyramidala strukturer som är cirka två mikrometer höga. Den ojämna ytan minimerar mängden ljus som reflekteras från kiselytan och ökar den totala effektiviteten, men gör det också svårt att belägga ett enhetligt lager perovskiter ovanpå.

"De flesta tidigare tandemceller har gjorts genom att först polera kiselytan för att göra den slät, och sedan lägga till perovskitskiktet, "säger Hou." Det fungerar, men mot extra kostnad. "

Hou och resten av teamet - inklusive Sargent och KAUST professor Stefaan De Wolf - tog en annan inställning. De ökade tjockleken på perovskitskiktet, vilket gör den tillräckligt hög för att täcka både topparna och dalarna som skapats av pyramidstrukturerna.

Teamet upptäckte att perovskiterna i dalarna genererade ett elektriskt fält som separerar elektronerna som genereras i perovskitlagret från de som genereras i kiselskiktet. Denna typ av laddningsseparation är fördelaktig eftersom den ökar chansen att upphetsade laddningar kommer att strömma in i kretsen snarare än andra delar av cellen.

Teamet förbättrade laddningsseparationen ytterligare genom att belägga perovskitkristallerna i ett "passiveringsskikt" av 1-butantiol, en vanlig industrikemikalie.

Tandemsolcellerna uppnådde en effektivitet på 25,7 procent, som certifierat av en oberoende, externt laboratorium, Fraunhofer Institute for Solar Energy i Freiburg, Tyskland. Detta är bland de högsta effektivitet som någonsin rapporterats för denna typ av design. De var också stabila, tål temperaturer på upp till 85 grader Celsius i mer än 400 timmar utan betydande prestandaförluster.

"Det faktum att vi kan göra allt detta utan att ändra kisel gör det till en drop-in-lösning, "säger Hou." Industri kan tillämpa detta utan att behöva göra kostsamma ändringar i sina befintliga processer. "

Hou och teamet fortsätter att arbeta med förbättringar av designen, inklusive ökad stabilitet upp till 1, 000 timmar, ett branschriktmärke.

"Vi är mycket stolta över de rekordmässiga prestationer som detta samarbete kunde uppnå, men detta är bara början "säger Hou." Genom att övervinna en nyckelbegränsning i tandemsolceller, Vi har lagt scenen för ännu större vinster. "

"Vårt tillvägagångssätt öppnar en dörr för kisel-solcellsindustrin att fullt ut utnyttja de stora framsteg perovskite-tekniken har gjort hittills, "säger De Wolf." Detta kan ge solcellspaneler med högre prestanda till låg kostnad till marknaden. "