Et nytt design for solceller som bruker billige, allment tilgjengelige materialer kan konkurrere og til og med overgå konvensjonelle celler laget av silisium.
Forskere har brukt tinn og andre rikelige elementer for å skape nye former for perovskitt-et fotovoltaisk krystallinsk materiale som er tynnere, mer fleksibelt og lettere å fremstille enn silisiumkrystaller. De rapporterer sin forskning i tidsskriftet Vitenskap.
"Perovskite halvledere har vist godt løfte om å lage høyeffektive solceller til lave kostnader, sier studiekonsulent Michael McGehee, professor i materialvitenskap og ingeniørfag ved Stanford University. "Vi har designet en robust, all-perovskite-enhet som konverterer sollys til elektrisitet med en effektivitet på 20.3-prosent, en hastighet som er sammenlignbar med silisium-solceller på markedet i dag."
Dobbelt perovskite-stabel
Den nye enheten består av to perovskite solceller stablet i tandem. Hver celle er trykt på glass, men den samme teknologien kan brukes til å skrive ut cellene på plast.
"De all-perovskite-tandemceller vi har demonstrert tydelig skisserer en køreplan for tynnfilm solceller for å levere over 30 prosent effektivitet," sier medforfatter Henry Snaith, professor i fysikk ved Oxford University. "Dette er bare begynnelsen."
Tidligere studier viste at tilsetning av et lag av perovskitt kan forbedre effektiviteten av silisium solceller. Men en tandem-enhet bestående av to all-perovskite-celler ville være billigere og mindre energiintensiv å bygge, sier forskere.
"En silisium solcellepanel begynner ved å konvertere silisiumkisstoff til siliciumkrystaller gjennom en prosess som involverer temperaturer over 3,000 grader Fahrenheit (1,600 grader Celsius)," forteller colead forfatter Tomas Leijtens, postdoktor ved Stanford. "Perovskite celler kan behandles i et laboratorium fra vanlige materialer som bly, tinn og brom, deretter trykt på glass ved romtemperatur."
En vanskelig utfordring
Men å bygge en all-perovskite tandem-enhet har vært en vanskelig utfordring. Hovedproblemet er å skape stabile perovskittmaterialer som er i stand til å fange nok energi fra solen til å produsere en anstendig spenning.
En typisk perovskittcelle høster fotoner fra den synlige delen av solspektret. Høyere-energifotoner kan føre til at elektroner i perovskittkrystallet hopper over et "energigap" og skaper en elektrisk strøm.
En solcelle med et lite energigap kan absorbere de fleste fotoner, men produserer en meget lav spenning. En celle med større energikilde genererer en høyere spenning, men lavere energi fotoner passerer rett gjennom den.
En effektiv tandem-enhet vil bestå av to idealt tilpassede celler, sier co-lead forfatter Giles Eperon, en postdoktor i Oxford for tiden ved University of Washington.
"Cellen med større energikløft ville absorbere høyere energi fotoner og generere en ekstra spenning," sier Eperon. "Cellen med mindre energi gapet kan høste fotoner som ikke samles av den første cellen og fremdeles produserer en spenning."
Stabilitetsproblem
Den mindre gapet har vist seg å være den største utfordringen for forskere. Samarbeidet brukte Eperon og Leijtens en unik kombinasjon av tinn, bly, cesium, jod og organiske materialer for å skape en effektiv celle med et lite energigap.
"Vi utviklet en roman perovskite som absorberer lav-energi infrarødt lys og leverer en konverteringseffektivitet på 14.8-prosent," sier Eperon. "Vi kombinerte det med en perovskit-celle bestående av liknende materialer, men med et større energiforbruk."
Resultatet: En tandem-enhet bestående av to perovskite-celler med en kombinert effektivitet på 20.3-prosent.
"Det er tusenvis av mulige forbindelser for perovskittene, sier Leijtens," men dette fungerer veldig bra, litt bedre enn noe før det. "
'Lim' trick vokser større perovskite solceller
En bekymring med perovskites er stabilitet. Tak solpaneler laget av silisium typisk siste 25 år eller mer. Men noen perovskites brytes raskt når de blir utsatt for fuktighet eller lys. I tidligere eksperimenter ble perovskites laget med tinn funnet å være spesielt ustabile.
For å vurdere stabiliteten utsatte forskerteamet begge eksperimentelle celler til temperaturer på 212 grader Fahrenheit (100 grader Celsius) i fire dager.
"Vesentlig, vi fant at cellene våre har utmerket termisk og atmosfærisk stabilitet, uten sidestykke for tinnbaserte perovskites," forfatterne skriver.
"Effektiviteten til vår tandem-enhet er allerede langt over de beste tandem solceller laget med andre lavkost halvledere, som organiske små molekyler og mikrokrystallinsk silisium," sier McGehee. "De som ser potensialet innser at disse resultatene er fantastiske."
Det neste trinnet er å optimalisere materialets sammensetning for å absorbere mer lys og generere en enda høyere strøm, sier Snaith.
"Allsidigheten til perovskites, den lave prisen på materialer og produksjon, nå kombinert med potensialet for å oppnå meget høye effektiviteter, vil være transformativ til fotovoltaisk industri når produserbarhet og akseptabel stabilitet også er bevist," sier han.
Andre forskere fra Stanford, Oxford, Hasselt University i Belgia og SunPreme Inc. er medforfattere av studien.
Finansieringen kom fra Graphene Flagship, The Leverhulme Trust, UK Engineering and Physical Sciences Research Council, European Union Seventh Framework Program, Horizon 2020, US Office of Naval Research, og det globale klima- og energiprosjektet i Stanford.
kilde: Universitetet i Stanford
Relaterte bøker:
at InnerSelf Market og Amazon
