Forskare har kommit på ett nytt sätt att göra perovskitfilmer för solceller. Tekniken är särskilt väl lämpad för att göra ultratunna filmer som är halvtransparenta, som kan vara användbar för solceller i fönster. Cellerna kan också göras i olika färger. Kredit:Padture lab/Brown University
Forskning ledd av en Brown University Ph.D. student har avslöjat ett nytt sätt att göra ljusabsorberande perovskitfilmer för användning i solceller.
Den nya metoden involverar ett rumstemperaturlösningsmedelsbad för att skapa perovskitkristaller, snarare än den värmestrålning som används i nuvarande kristallisationsmetoder. En studie publicerad i Royal Society of Chemistry's Journal of Materials Chemistry A visar att tekniken producerar högkvalitativa kristallina filmer med exakt kontroll över tjockleken över stora ytor, och skulle kunna visa vägen mot massproduktionsmetoder för perovskitceller.
Perovskites, en klass av kristallina material, har orsakat en hel del uppståndelse i den rena energivärlden. Perovskitefilmer är utmärkta ljusabsorbenter och är mycket billigare att tillverka än de kiselskivor som används i vanliga solceller. Effektiviteten hos perovskitceller – andelen solljus som omvandlas till elektricitet – har ökat i en häpnadsväckande takt på bara några år. De första perovskitcellerna som introducerades 2009 hade en effektivitet på endast cirka 4 procent, långt ifrån den 25-procentiga effektiviteten som standard kiselceller har. Men förra året, perovskitceller hade certifierats med mer än 20 procents effektivitet. Den snabba förbättringen av prestanda är lovande, och forskare tävlar om att börja använda perovskitceller i kommersiella produkter.
Det finns ett antal olika sätt att göra filmerna, men nästan alla kräver värme. Perovskitprekursorkemikalier löses i en lösning, som sedan beläggs på ett substrat. Värme appliceras för att avlägsna lösningsmedlet, lämnar perovskitkristallerna att bildas i en film över substratet.
"Människor har gjort bra filmer över relativt små ytor - en bråkdel av en centimeter eller så kvadrat. Men de har varit tvungna att gå till temperaturer från 100 till 150 grader Celsius, och att uppvärmningsprocessen orsakar ett antal problem, " sa Nitin Padture, professor i teknik och chef för Institutet för molekylär och nanoskala innovation.
Till exempel, kristallerna bildas ofta ojämnt när de värmebehandlas, lämnar små hål i filmen. I en solcell, dessa nålhål kan minska effektiviteten. Värme begränsar också substraten på vilka filmer kan avsättas. Flexibla plastsubstrat, till exempel, kan inte användas eftersom de är skadade av höga temperaturer.
Forskare har kommit på ett nytt sätt att göra perovskitfilmer för solceller. Tekniken involverar ett rumstemperaturbad snarare än en värmestrålning, som krävs i de flesta andra tekniker. Det skulle kunna göra massproduktion lättare. Kredit:Padture Lab / Brown University
Yuanyuan Zhou, en doktorand i Padtures labb, ville se om det fanns ett sätt att göra tunna filmer av perovskitkristall utan att behöva applicera värme. Han kom på vad som kallas en lösningsmedels-lösningsmedelsextraktion (SSE) metod.
I sin metod, perovskitprekursorer löses i ett lösningsmedel som kallas NMP och beläggs på ett substrat. Sedan, istället för uppvärmning, substratet badas i dietyleter (DEE), ett andra lösningsmedel som selektivt tar tag i NMP-lösningsmedlet och vispar bort det. Det som finns kvar är en ultraslät film av perovskitkristaller.
Eftersom det inte är någon uppvärmning inblandad, kristallerna kan formas på praktiskt taget alla substrat – även värmekänsliga polymersubstrat som används i flexibla solceller. En annan fördel är att hela SSE-kristalliseringsprocessen tar mindre än två minuter, jämfört med en timme eller mer för värmebehandling. Det gör processen mer mottaglig för massproduktion eftersom den kan göras i en form av löpande process.
SSE-metoden gör det också möjligt att göra filmer mycket tunna med bibehållen hög kvalitet. Standardperovskitfilmer är i allmänhet i storleksordningen 300 nanometer tjocka. Men Zhou har kunnat göra filmer av hög kvalitet så tunna som 20 nanometer. SSE-filmerna kunde också göras större – flera kvadratcentimeter – utan att skapa nålhål.
"Med andra metoder, när tjockleken blir under 100 nanometer kan du knappast täcka filmen helt, " sa Zhou. "Du kan göra en film, men du får massor av pinholes. I vår process, du kan forma filmen jämnt ner till 20 nanometer eftersom kristalliseringen vid rumstemperatur är mycket mer balanserad och sker direkt över hela filmen vid bad."
Dessa ultratunna filmer är delvis genomskinliga (filmer av standardtjocklek är svarta och ogenomskinliga), så att de kunde användas för att tillverka solcellsfönster, säger forskarna. Och genom att justera sammansättningen av perovskitprekursorlösningen, Zhou har kunnat göra celler i olika färger.
"Dessa kan potentiellt användas för dekorativa, byggnadsintegrerade fönster som kan göra ström, " sa Padture.
Gruppen planerar att göra mer arbete för att förfina processen, men de uppmuntras av de tidiga resultaten. Arbetar med forskare vid National Renewable Energy Laboratory i Colorado, initial testning av celler gjorda med SSE-filmer visade omvandlingseffektivitet på över 15 procent. Solceller baserade på semitransparenta 80-nanometer filmer gjorda med hjälp av processen visade sig ha högre effektivitet än någon annan ultratunn film.
"Vi tror att detta kan vara ett viktigt steg mot en mängd olika kommersiellt tillgängliga perovskitcellprodukter, " sa Padture.
