Medan energiomvandlingseffektiviteten för perovskitesolceller (PVSC) - en framtid för solceller - redan har förbättrats avsevärt under det senaste decenniet, problemen med instabilitet och potentiell miljöpåverkan återstår att lösa. Nyligen, forskare från City University of Hong Kong (CityU) har utvecklat en ny metod som samtidigt kan hantera läckaget av bly från PVSC och stabilitetsfrågan utan att kompromissa med effektiviteten, banar väg för verklig tillämpning av perovskite solcellsteknik.

Forskargruppen leds av professor Alex Jen Kwan-yue, CityU:s prost och ordförande professor i kemi och materialvetenskap, tillsammans med professor Xu Zhengtao och Dr Zhu Zonglong från Institutionen för kemi. Deras forskningsrön publicerades nyligen i den vetenskapliga tidskriften Naturens nanoteknik , med titeln "2D metall-organisk ram för stabila perovskitsolceller med minimerat blyläckage."

För närvarande, den högsta effektomvandlingseffektiviteten för PVSC:er har varit i nivå med de toppmoderna kiselbaserade solcellerna. Dock, de använda perovskiterna innehåller blykomponenter som väcker en oro för potentiell miljöförorening. "När solcellen åldras, blyarterna kan läcka genom enheterna, t.ex. genom regnvatten ner i jorden, utgör ett toxicitetshot mot miljön, " förklarade professor Jen som är expert på PVSC. "Att använda PVSC i storskalig kommersiell användning, det kräver inte bara hög effektkonverteringseffektivitet utan också långvarig enhetsstabilitet och minimerad miljöpåverkan."

Samarbetar med professor Xu vars expertis är materialsyntes, Professor Jen och Dr. Zhu ledde teamet för att övervinna ovanstående utmaningar genom att tillämpa tvådimensionella (2-D) metallorganiska ramverk (MOF) på PVSC. "Vi är det första laget som tillverkar PVSC-enheter med minimerat blyläckage, god långsiktig stabilitet och hög effektkonverteringseffektivitet samtidigt, Professor Jen sammanfattade deras forskningsgenombrott.

Multifunktionellt MOF-lager

Metall-organiska ramverk (MOF) material har tidigare använts som ställningar för att malla tillväxten av perovskiter. Forskare har också använt dem som tillsatser eller ytmodifierare för att passivera (för att minska reaktiviteten hos materialets yta) defekterna hos perovskiter för att förbättra enhetens prestanda och stabilitet.

Dock, de flesta av 3-D MOF:erna är ganska elektriskt isolerande med låg laddningsbärares rörlighet, därför olämplig att användas som laddningstransporterande material.

Men MOF:erna som utarbetats av professor Xu är annorlunda. De är bikakeliknande, 2D-struktur utrustad med många tiolgrupper som en nyckelfunktion. De har lämpliga energinivåer, gör det möjligt för dem att vara ett elektronextraktionsskikt (även kallat "elektronuppsamlingsskikt") där elektroner slutligen samlas upp av elektroden på PVSC:erna. "Våra molekylärt konstruerade MOF har egenskapen hos en multifunktionell halvledare, och kan användas för att förbättra laddningsutvinningseffektiviteten, " förklarade professor Xu.

Att fånga blyjonerna för att förhindra kontaminering

Mer viktigt, de täta arrayerna av tiol- och disulfidgrupper i MOF:erna kan "fånga" tungmetalljoner vid perovskit-elektrodgränssnittet för att mildra blyläckage.

"Våra experiment visade att MOF som användes som det yttre lagret av PVSC-enheten fångade över 80% av de läckta blyjonerna från den nedbrutna perovskiten och bildade vattenolösliga komplex som inte skulle förorena jorden, Professor Jen förklarade. Till skillnad från de fysiska inkapslingsmetoder som används för att minska blyläckage i andra studier, denna in-situ kemiska sorption av bly av den integrerade MOF-komponenten i enheten visade sig vara mer effektiv och hållbar för långsiktiga praktiska tillämpningar.

Långsiktig driftstabilitet uppnådd

Dessutom, detta MOF-material kan skydda perovskiter mot fukt och syre samtidigt som det bibehåller hög effektivitet.

Effektomvandlingseffektiviteten för deras PVSC-enhet modifierad med MOF kan nå 22,02 % med en fyllnadsfaktor på 81,28 % och en öppen kretsspänning på 1,20 V. Både konverteringseffektiviteten och den registrerade öppen kretsspänningen är bland de högsta värdena som rapporterats för plana inverterade PVSC:er. På samma gång, enheten uppvisade överlägsen stabilitet i en omgivande miljö med en relativ luftfuktighet på 75 %, bibehåller 90 % av sin ursprungliga effektivitet efter 1, 100 timmar. I kontrast, effektomvandlingseffektiviteten för PVSC utan MOF sjönk markant till mindre än 50 % av dess ursprungliga värde.

Också, deras enhet behöll 92 % av sin initiala effektivitet under kontinuerlig ljusbestrålning i 1, 000 timmar vid 85°C. "En sådan stabilitetsnivå har redan uppfyllt standarden för kommersialisering som fastställts av International Electrotechnical Commission (IEC), " sa Dr Zhu.

"Detta är ett mycket betydelsefullt resultat som bevisade att vår MOF-metod är tekniskt genomförbar och har potential att kommersialisera PVSC-tekniken, " tillade professor Jen.

Högeffektiva PVSC:er för ren energitillämpningar

Det tog teamet nästan två år att genomföra denna lovande forskning. Deras nästa steg blir att ytterligare förbättra effektkonverteringseffektiviteten och utforska sätten att sänka produktionskostnaden.

"Vi hoppas att tillverkningen av denna typ av PVSC i framtiden skulle vara som att "skriva ut" tidningar och lätt skalas upp i produktionen, underlätta storskalig utbyggnad av högeffektiva PVSC:er för ren energitillämpningar, avslutade professor Jen.