Ett team av forskare från University of Torontos fakultet för tillämpad vetenskap och teknik har utnyttjat kvantmekaniken för att optimera det aktiva lagret i en enhet som kallas en inverterad perovskit-solcell – en teknik som en dag kan resultera i solceller på massmarknaden som kostar en bråkdel av de som för närvarande finns på marknaden.

I dagsläget är praktiskt taget alla kommersiella solceller gjorda av högrent kisel, som kräver betydande energi att producera. Men forskare runt om i världen experimenterar med alternativ solteknik som skulle kunna tillverkas och installeras med mindre energi och till lägre kostnad.

Ett av dessa alternativ, som studeras i Sargent Group-labbet, är känt som perovskit. Kraften hos perovskitmaterial kommer från deras unika kristallstruktur, som gör att de kan absorbera ljus i ett mycket tunt lager och effektivt omvandla det till elektricitet.

"Perovskitekristaller är gjorda av flytande bläck och belagda på ytor med hjälp av teknik som redan är väletablerad inom industrin, såsom rull-till-rulle-utskrift", säger Hao Chen, postdoktorand i Sargents labb och en av fyra co. -huvudförfattare till en ny artikel publicerad i Nature Photonics .

"På grund av detta har perovskitsolceller potential att massproduceras till mycket lägre energikostnad än kisel. Utmaningen är att just nu perovskitsolceller släpar efter traditionella kiselceller i stabilitet. I den här studien siktade vi på att sluta det gapet. "

Chen, tillsammans med sina huvudförfattare – Ph.D. kandidat Sam Teale och postdoktorala forskare Bin Chen och Yi Hou – använder en strategi baserad på en inverterad solcellsstruktur.

I de flesta prototyper av perovskitsolceller går elektroner ut genom en negativ elektrod i cellens nedre lager, med "hålen" som de lämnar efter sig genom en positiv elektrod i toppen.

Att vända på detta arrangemang möjliggör användningen av alternativa tillverkningstekniker och tidigare forskning har visat att dessa kan förbättra stabiliteten hos perovskitskiktet. Men förändringen kommer till en kostnad i form av prestanda.

"Det är svårt att få bra kontakt mellan perovskitskiktet och den översta elektroden", säger Chen. "För att lösa detta sätter forskare vanligtvis in ett passiveringsskikt av organiska molekyler. Det fungerar riktigt bra i den traditionella orienteringen, eftersom "hål" kan gå rakt igenom det här passiveringsskiktet. Men elektroner blockeras av det här lagret, så när du inverterar cell det blir ett stort problem."

Teamet övervann denna begränsning genom att dra fördel av kvantmekaniken - den fysikaliska principen som anger beteendet hos material på mycket små längdskalor skiljer sig från vad som observeras vid större skalor.

"I våra prototypsolceller är perovskiterna begränsade till ett extremt tunt lager - bara en till tre kristaller på höjden", säger Teale. "Denna tvådimensionella form gör det möjligt för oss att komma åt egenskaper associerade med kvantmekanik. Vi kan till exempel kontrollera vilka våglängder av ljus perovskiterna absorberar, eller hur elektroner rör sig i lagret."

Teamet använde först en kemisk teknik som etablerats av andra grupper för att producera en tvådimensionell perovskityta ovanpå deras solcell. Detta gjorde det möjligt för perovskitskiktet att uppnå passivering på egen hand, vilket eliminerade behovet av det organiska skiktet helt och hållet.

För att övervinna elektronblockeringseffekten ökade teamet tjockleken på perovskitskiktet från en kristall i höjden till tre. Datorsimuleringar hade visat att denna förändring skulle förändra energilandskapet tillräckligt för att göra det möjligt för elektroner att fly in i en extern krets, en förutsägelse som bekräftades i labbet.

Effektomvandlingseffektiviteten för teamets celler uppmättes till 23,9 procent, en nivå som inte bleknade efter 1 000 timmars drift i rumstemperatur. Även när den utsattes för en accelererad åldringsprocess av industristandard vid temperaturer upp till 65 C, minskade prestandan endast med åtta procent efter mer än 500 timmars användning.

Framtida arbete kommer att fokusera på att ytterligare öka stabiliteten i cellerna, även under ännu högre temperaturer. Teamet skulle också vilja bygga celler med större yta, eftersom de nuvarande cellerna bara är cirka fem kvadratmillimeter stora.

Ändå bådar de nuvarande resultaten gott för framtiden för denna alternativa solteknik.

"I vår artikel jämför vi våra prototyper med både traditionella och inverterade perovskitsolceller som nyligen har publicerats i den vetenskapliga litteraturen", säger Teale.

"Kombinationen av hög stabilitet och hög effektivitet som vi uppnådde sticker verkligen ut. Vi bör också komma ihåg att perovskitteknologin bara är ett par decennier gammal, medan kisel har arbetats med i 70 år. Det finns fortfarande många förbättringar att göra. komma." + Utforska vidare

Kvantprickar ökar effektiviteten och skalbarheten för perovskitesolceller