Kilde:news.northwestern.edu
Funnene, publisert i dag (17. november) i tidsskriftet Science, beskriver en løsning med to molekyler for å overvinne tap i effektivitet når sollys omdannes til energi. Ved å inkorporere først et molekyl for å adressere noe som kalles overflaterekombinasjon, der elektroner går tapt når de blir fanget av defekter - manglende atomer på overflaten, og et andre molekyl for å forstyrre rekombinasjonen i grensesnittet mellom lagene, oppnådde teamet en nasjonal fornybar Energy Lab (NREL) sertifisert effektivitet på 25,1 % der tidligere tilnærminger nådde effektivitetsgevinster på bare 24,09 %.
"Perovskite solenergi-teknologi beveger seg raskt, og vekten av forskning og utvikling skifter fra bulk-absorberen til grensesnittene," sa Northwestern-professor Ted Sargent. "Dette er det kritiske punktet for å forbedre effektiviteten og stabiliteten ytterligere og bringe oss nærmere denne lovende ruten til stadig mer effektiv solfangst."
Sargent er co-executive direktør for Paula M. Trienens Institute for Sustainability and Energy (tidligere ISEN) og en tverrfaglig forsker innen materialkjemi og energisystemer, med ansettelser i avdelingen for kjemi i Weinberg College of Arts and Sciences og avdeling for elektro- og datateknikk ved McCormick School of Engineering.
Konvensjonelle solceller er laget av silisiumskiver med høy renhet som er energikrevende å produsere og som bare kan absorbere et fast område av solspekteret.
Perovskittmaterialer hvis størrelse og sammensetning kan justeres for å "justere" bølgelengdene av lys de absorberer, noe som gjør dem til en gunstig og potensielt rimeligere, høyeffektiv fremvoksende tandemteknologi.
Historisk har perovskittsolceller vært plaget av utfordringer med å forbedre effektiviteten på grunn av deres relative ustabilitet. I løpet av de siste årene har fremskritt fra Sargents laboratorium og andre brakt effektiviteten til perovskittsolceller til innenfor samme område som det som er oppnåelig med silisium.
I den nåværende forskningen, i stedet for å prøve å hjelpe cellen til å absorbere mer sollys, fokuserte teamet på spørsmålet om å opprettholde og beholde genererte elektroner for å øke effektiviteten. Når perovskittlaget kommer i kontakt med elektrontransportlaget til cellen, beveger elektroner seg fra det ene til det andre. Men elektronet kan bevege seg tilbake utover og fylle, eller "rekombinere" med hull som finnes på perovskittlaget.
"Rekombinasjon ved grensesnittet er komplekst," sa førsteforfatter Cheng Liu, en postdoktorstudent i Sargent-laboratoriet, som er co-veiledet av Charles E. og Emma H. Morrison professor i kjemi Mercouri Kanatzidis. "Det er veldig vanskelig å bruke én type molekyl for å adressere kompleks rekombinasjon og beholde elektroner, så vi vurderte hvilken kombinasjon av molekyler vi kunne bruke for å løse problemet mer omfattende."
Tidligere forskning fra Sargents team har funnet bevis på at ett molekyl, PDAI2, gjør en god jobb med å løse grensesnittrekombinasjon. Deretter trengte de å finne et molekyl som ville fungere for å reparere overflatedefekter og hindre elektroner i å rekombinere med dem.
Ved å finne mekanismen som ville tillate PDAI2 å jobbe med et sekundært molekyl, snevret teamet inn på svovel, som kunne erstatte karbongrupper - vanligvis dårlige til å hindre elektroner i å bevege seg - for å dekke manglende atomer og undertrykke rekombinasjon.
"For å adressere kjerneineffektiviteten som finnes i inverterte perovskittsolceller, som hovedsakelig skyldes ikke-strålende rekombinasjonstap, blir en ny standard for solcelleeffektivitet satt," sa Northwestern-professor Mercouri Kanatzidis. "Dette er en førsteklasses illustrasjon på hvordan feltet for avansert materialkjemi kan forbedre energikonverteringseffektiviteten og levetiden til nye perovskitt-fotovoltaiske teknologier betydelig."
Kanatzidis er en ledende autoritet innen materialkjemi og bærekraftige energiløsninger, med doble ansettelser i Weinbergs avdeling for kjemi og McCormicks avdeling for materialvitenskap og ingeniørfag.
"Vi er glade for at vår bimolekylære strategi viser anvendelighet på en rekke perovskittsammensetninger, inkludert de som er lovende for tandemsolceller," sa Bin Chen, forskningsassistentprofessor i kjemi og medforfatter på papiret.
En fersk artikkel av samme gruppe publisert i Nature utviklet et belegg for substratet under perovskittlaget for å hjelpe cellen til å jobbe ved en høyere temperatur over en lengre periode. Denne løsningen, ifølge Liu, kan fungere sammen med funnene i Science-artikkelen.
Mens teamet håper funnene deres vil oppmuntre det større vitenskapelige samfunnet til å fortsette arbeidet fremover, vil de også jobbe med oppfølging.
"Vi må bruke en mer fleksibel strategi for å løse det komplekse grensesnittproblemet," sa Cheng. "Vi kan ikke bare bruke én type molekyl, slik folk tidligere gjorde. Vi bruker to molekyler for å løse to typer rekombinasjon, men vi er sikre på at det er flere typer defektrelatert rekombinasjon ved grensesnittet. Vi må prøve å bruke flere molekyler for å komme sammen og sørge for at alle molekyler fungerer sammen uten å ødelegge hverandres funksjoner."
