Een onderzoeksteam van de Brown University heeft een grote stap gezet in het verbeteren van de langetermijnbetrouwbaarheid van perovskiet-zonnecellen. een opkomende technologie voor schone energie. In een vrijdag gepubliceerd onderzoek 7 mei in het journaal Wetenschap , het team demonstreert een "moleculaire lijm" die ervoor zorgt dat een belangrijke interface in cellen niet degradeert. De behandeling verhoogt de stabiliteit en betrouwbaarheid van cellen in de loop van de tijd aanzienlijk, terwijl ze ook de efficiëntie verbeteren waarmee ze zonlicht omzetten in elektriciteit.

"Er zijn grote vorderingen gemaakt bij het verhogen van de energieconversie-efficiëntie van perovskiet-zonnecellen, " zei Nitin Padture, een professor in de techniek aan de Brown University en senior auteur van het nieuwe onderzoek. "Maar de laatste hindernis die moet worden genomen voordat de technologie algemeen beschikbaar kan zijn, is betrouwbaarheid - cellen maken die hun prestaties in de loop van de tijd behouden. Dat is een van de dingen waar mijn onderzoeksgroep aan heeft gewerkt, en we zijn verheugd een aantal belangrijke vorderingen te kunnen melden."

Perovskieten zijn een klasse van materialen met een bepaalde kristallijne atomaire structuur. Iets meer dan een decennium geleden, onderzoekers toonden aan dat perovskieten erg goed zijn in het absorberen van licht, die een stroom van nieuw onderzoek naar perovskiet-zonnecellen op gang bracht. De efficiëntie van die cellen is snel toegenomen en wedijvert nu met die van traditionele siliciumcellen. Het verschil is dat perovskiet-lichtabsorbers gemaakt kunnen worden bij bijna kamertemperatuur, overwegende dat silicium moet worden gekweekt uit een smelt bij een temperatuur van bijna 2, 700 graden Fahrenheit. Perovskietfilms zijn ook ongeveer 400 keer dunner dan siliciumwafels. Het relatieve gemak van de fabricageprocessen en het gebruik van minder materiaal betekent dat perovskietcellen potentieel kunnen worden gemaakt tegen een fractie van de kosten van siliciumcellen.

Hoewel de efficiëntieverbeteringen in perovskieten opmerkelijk waren, Padture zegt, het stabieler en betrouwbaarder maken van de cellen is een uitdaging gebleven. Een deel van het probleem heeft te maken met de gelaagdheid die nodig is om een ​​functionerende cel te maken. Elke cel bevat vijf of meer verschillende lagen, die elk een andere functie vervullen in het elektriciteitsproductieproces. Omdat deze lagen van verschillende materialen zijn gemaakt, ze reageren anders op externe krachten. Ook, temperatuurveranderingen die optreden tijdens het fabricageproces en tijdens het gebruik kunnen ervoor zorgen dat sommige lagen meer uitzetten of krimpen dan andere. Dat creëert mechanische spanningen op de laaginterfaces die ervoor kunnen zorgen dat de lagen ontkoppelen. Als de interfaces gecompromitteerd zijn, de prestaties van de cel kelderen.

De zwakste van die interfaces is die tussen de perovskietfilm die wordt gebruikt om licht te absorberen en de elektronentransportlaag, waardoor de stroom door de cel blijft stromen.

"Een ketting is zo sterk als de zwakste schakel, en we identificeerden deze interface als het zwakste deel van de hele stapel, waar mislukking het meest waarschijnlijk is, " zei Padtuur, die het Institute for Molecular and Nanoscale Innovation bij Brown leidt. “Als we dat kunnen versterken, dan kunnen we beginnen met het maken van echte verbeteringen in betrouwbaarheid."

Om dat te doen, Padture putte uit zijn ervaring als materiaalwetenschapper, ontwikkeling van geavanceerde keramische coatings die worden gebruikt in vliegtuigmotoren en andere hoogwaardige toepassingen. Hij en zijn collega's begonnen te experimenteren met verbindingen die bekend staan ​​als zelf-geassembleerde monolagen of SAM's.

"Dit is een grote klasse van verbindingen, "Zei Padture. "Als je deze op een oppervlak deponeert, de moleculen assembleren zichzelf in een enkele laag en staan ​​op als korte haren. Door de juiste formulering te gebruiken, je kunt sterke bindingen vormen tussen deze verbindingen en allerlei verschillende oppervlakken."

Padture en zijn team ontdekten dat een formulering van SAM met aan één kant een siliciumatoom, en jodiumatoom anderzijds, sterke bindingen kunnen vormen met zowel de verkiezingstransportlaag (die meestal van tinoxide is gemaakt) als de perovskiet-lichtabsorberende laag. Het team hoopte dat de bindingen die door deze moleculen worden gevormd, de laaginterface zouden kunnen versterken. En ze hadden gelijk.

"Toen we de SAM's in de interface introduceerden, we ontdekten dat het de breuktaaiheid van de interface met ongeveer 50% verhoogt, wat betekent dat eventuele scheuren die zich aan het grensvlak vormen zich niet erg ver voortplanten, "Zei Padture. "Dus in feite, de SAM's worden een soort moleculaire lijm die de twee lagen bij elkaar houdt."

Testen van de zonnecelfunctie toonden aan dat de SAM's de functionele levensduur van de perovskietcellen drastisch verhoogden. Niet-SAM-cellen die voor het onderzoek waren voorbereid, behielden 80% van hun aanvankelijke efficiëntie gedurende ongeveer 700 uur laboratoriumtests. Ondertussen deden de SAM-cellen het nog steeds goed na 1, 330 uur testen. Op basis van deze experimenten, de onderzoekers schatten dat de levensduur van 80% met behoud van efficiëntie ongeveer 4 is, 000 uur.

"Een van de andere dingen die we deden, wat mensen normaal niet doen, is dat we de cellen hebben opengebroken na het testen, " zei Zhenghong Dai, een Brown-promovendus en eerste auteur van het onderzoek. "In de controlecellen zonder de SAM's, we zagen allerlei soorten schade zoals holtes en scheuren. Maar met de SAM's, de geharde interfaces zagen er echt goed uit. Het was een dramatische verbetering die ons echt schokte."

belangrijk, Padture zei, de verbetering van de taaiheid ging niet ten koste van de efficiëntie van de energieconversie. In feite, de SAM's verbeterden de efficiëntie van de cel zelfs met een kleine hoeveelheid. Dat gebeurde omdat de SAM's kleine moleculaire defecten elimineerden die zich vormen wanneer de twee lagen hechten in afwezigheid van SAM's.

"De eerste regel bij het verbeteren van de mechanische integriteit van functionele apparaten is 'doe geen kwaad, '" zei Padture. "Het was een leuke verrassing dat we de betrouwbaarheid konden verbeteren zonder de efficiëntie te verliezen - en zelfs de efficiëntie te verbeteren."

De SAM's zelf zijn gemaakt van gemakkelijk verkrijgbare verbindingen en kunnen eenvoudig worden aangebracht met een dompelcoatingproces bij kamertemperatuur. Dus de toevoeging van SAM's zou mogelijk weinig toevoegen aan de productiekosten, zei Padtuur.

De onderzoekers willen voortbouwen op dit succes. Nu ze de zwakste schakel in de perovskiet-zonnecelstapel hebben versterkt, ze willen graag naar de volgende zwakste gaan, dan de volgende enzovoort totdat ze de hele stapel hebben versterkt. Dat werk omvat niet alleen het versterken van de interfaces, maar ook de materiële lagen zelf. Onlangs, De onderzoeksgroep van Padture won een subsidie ​​van $ 1,5 miljoen van het Amerikaanse ministerie van Energie om hun onderzoek uit te breiden.

"Dit is het soort onderzoek dat nodig is om cellen te maken die goedkoop zijn, efficiënt en tientallen jaren goed presteren, ' zei Padtuur.