Forskare från University of Houston har rapporterat den första förklaringen till hur en materialklass förändras under produktionen för att mer effektivt absorbera ljus, ett kritiskt steg mot storskalig tillverkning av bättre och billigare solpaneler.

Arbetet, publicerad denna månad som omslagsberättelse för Nanoskala , erbjuder en mekanismstudie av hur en perovskit tunn film ändrar sin mikroskopiska struktur vid försiktig uppvärmning, sa Yan Yao, biträdande professor i el- och datateknik och huvudförfattare på tidningen. Denna information är avgörande för att utforma en tillverkningsprocess som konsekvent kan producera högeffektiva solpaneler.

Förra året identifierade Yao och andra forskare kristallstrukturen i den icke-stökiometriska mellanfasen som nyckelelementet för högeffektiva perovskitsolceller. Men vad som hände under det senare termiska glödgningssteget förblev oklart. Arbetet är grundvetenskap, Yao sa, men avgörande för bearbetning av effektivare solceller.

"Annat, det är som en svart låda, "sa han." Vi vet att vissa bearbetningsvillkor är viktiga, men vi vet inte varför. "

Andra forskare som är involverade i projektet inkluderar författaren Yaoguang Rong, tidigare en postdoktor vid UH och nu docent vid Huazhong University of Science and Technology i Kina; UH postdoktorer Swaminathan Venkatesan och Yanan Wang; Jiming Bao, docent i el- och datateknik vid UH; Rui Guo och Wenzhi Li från Florida International University, och Zhiyong Fan av Hong Kong University of Science and Technology.

Yao är också en huvudutredare vid Texas Center for Superconductivity vid UH, som gav finansiering för arbetet.

Arbetet gav också en överraskning:materialen visade en högsta effektivitet - den hastighet med vilken materialet konverterade ljus till elektricitet - innan mellanfasomvandlingen var klar, föreslår ett nytt sätt att producera filmerna för att säkerställa maximal effektivitet. Yao sa att forskare skulle ha förväntat sig att den högsta effektiviteten skulle komma efter att materialet hade konverterats till 100 procent perovskitfilm. Istället, de upptäckte att de bäst presterande solcellerna var de för vilka omvandlingen stoppades vid 18 procent av mellanfasen, innan full konvertering.

"Vi fann att fassammansättningen och morfologin för lösningsmedelsframställda perovskitfilmer är starkt beroende av bearbetningsförhållandena och kan avsevärt påverka fotovoltaisk prestanda, "skrev forskarna." Det starka beroendet av bearbetningsförhållanden tillskrivs den molekylära utbyteskinetiken mellan organiska halogenidmolekyler och DMSO (dimetylsulfoxid) som samordnas i mellanfasen. "

Perovskitföreningar består vanligen av ett hybridorganiskt-oorganiskt bly- eller tennhalidbaserat material och har drivits som potentiella material för solceller i flera år. Yao sa att deras fördelar inkluderar det faktum att materialen kan fungera som mycket tunna filmer - cirka 300 nanometer, jämfört med mellan 200 och 300 mikrometer för kiselskivor, det mest använda materialet för solceller. Perovskitsolceller kan också produceras genom lösningsbearbetning vid temperaturer under 150 grader Celsius (cirka 300 grader Fahrenheit) vilket gör dem relativt billiga att producera.

När de är som bäst, perovskitsolceller har en effektivitet på cirka 22 procent, något lägre än kisel (25 procent). Men kostnaden för kiselsolceller sjunker också dramatiskt, och perovskitceller är instabila i luften, snabbt tappar effektivitet. De innehåller också vanligtvis bly, ett toxin.

Fortfarande, Yao sa, materialen håller stora löften för solindustrin, även om det är osannolikt att det kommer att ersätta kisel helt. Istället, han sa, de kan användas tillsammans med kisel, öka effektiviteten till 30 procent eller så.