Solceller, som omvandlar solljus till elektricitet, har länge varit en del av den globala visionen för förnybar energi. Även om enskilda celler är mycket små, vid uppskalning till moduler, de kan användas för att ladda batterier och strömlampor. Om de läggs sida vid sida, de kunde, en dag, vara den primära energikällan för byggnader. Men de solceller som för närvarande finns på marknaden använder kisel, vilket gör dem dyra att tillverka jämfört med mer traditionella kraftkällor.

Det är där en annan, relativt ny inom vetenskapen, material kommer in — metallhalogenid perovskit. När den ligger inbäddad i mitten av en solcell, denna kristallina struktur omvandlar också ljus till elektricitet, men till en mycket lägre kostnad än kisel. Vidare, perovskitbaserade solceller kan tillverkas med både styva och mjuka substrat så, förutom att vara billigare, de kunde vara mer lätta och flexibla. Men, att ha verklig potential, dessa prototyper måste öka i storlek, effektivitet, och livslängd.

Nu, i en ny studie, publiceras i Nanoenergi , forskare inom enheten för energimaterial och ytvetenskap, ledd av professor Yabing Qi, vid Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) har visat att att skapa ett av de råmaterial som behövs för perovskiter på ett annat sätt kan vara nyckeln till framgången för dessa celler.

"Det finns ett nödvändigt kristallint pulver i perovskiter som kallas FAPbI ₃ , som bildar perovskitens absorberande lager, " förklarade en av huvudförfattarna, Dr Guoqing Tong, Postdoktor vid enheten. "Tidigare, detta lager tillverkades genom att kombinera två material - PbI2 och FAI. Reaktionen som äger rum producerar FAPbI3. Men denna metod är långt ifrån perfekt. Det finns ofta rester av ett eller båda originalmaterialen, vilket kan hämma solcellens effektivitet."

För att komma runt detta, forskarna syntetiserade det kristallina pulvret med en mer exakt pulvertekniksmetod. De använde fortfarande en av råvarorna – PbI ₂ — men inkluderade även extra steg, som innebar, bland annat, värm upp blandningen till 90 grader Celsius och lös försiktigt upp och filtrera bort eventuella rester. Detta säkerställde att det resulterande pulvret var av hög kvalitet och strukturellt perfekt.

En annan fördel med denna metod var att perovskitens stabilitet ökade över olika temperaturer. När perovskitens absorberande skikt bildades från den ursprungliga reaktionen, den var stabil vid höga temperaturer. Dock, vid rumstemperatur, det blev från brunt till gult, vilket inte var idealiskt för att absorbera ljus. Den syntetiserade versionen var brun även vid rumstemperatur.

Förr, Forskare har skapat en perovskitbaserad solcell med mer än 25 procents effektivitet, vilket är jämförbart med kiselbaserade solceller. Men, att flytta dessa nya solceller bortom labbet, en exklusiv storlek och långsiktig stabilitet är nödvändig.

"Solceller i labbskala är små, ", sa Prof. Qi. "Storleken på varje cell är bara cirka 0,1 cm ² . De flesta forskare fokuserar på dessa eftersom de är lättare att skapa. Men, när det gäller applikationer, vi behöver solcellsmoduler, som är mycket större. Solcellernas livslängd är också något vi måste vara uppmärksamma på. Även om 25 procents effektivitet tidigare har uppnåtts, livslängden var, som mest, några tusen timmar. Efter det här, cellens effektivitet började minska."

Med hjälp av det syntetiserade kristallina perovskitpulvret, Dr Tong, tillsammans med Dr Dae-Yong Son och de andra vetenskapsmännen i Prof. Qis enhet, uppnått en omvandlingseffektivitet på över 23 procent i sin solcell, men livslängden var mer än 2000 timmar. När de skalade upp till solcellsmoduler på 5x5cm2, de uppnådde fortfarande över 14 procents effektivitet. Som ett bevis på konceptet, de tillverkade en enhet som använde en perovskite solmodul för att ladda ett litiumjonbatteri.

Dessa resultat representerar ett avgörande steg mot effektiva och stabila perovskitbaserade solceller och moduler som kan, en dag, användas utanför labbet. "Vårt nästa steg är att göra en solcellsmodul som är 15 x 15 cm ² och har en effektivitet på mer än 15 procent, " sa Dr. Tong. "En dag hoppas jag att vi kan driva en byggnad på OIST med våra solcellsmoduler."