Wetenschappers van de Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) hebben een fundamentele zwakte opgelost in een veelbelovende zonnetechnologie die bekend staat als Perovskite Solar Cells. of PSC's. Hun innovaties lijken de stabiliteit en schaalbaarheid van de apparaten in één klap te verbeteren en kunnen de sleutel zijn om PSC's op de markt te brengen.

Zonnecellen van de derde generatie zetten zonlicht efficiënt om in bruikbare elektriciteit en kosten minder energie om te produceren dan ouderwetse siliciumcellen. PSC's, vooral, hebben de aandacht getrokken van wetenschap en industrie dankzij hun lage kosten en hoge efficiëntie. Hoewel hun prestaties veelbelovend zijn in laboratoriumtests, de apparaten hebben nog steeds een lage stabiliteit en kunnen niet commercieel worden geproduceerd totdat ze zijn gebouwd om lang mee te gaan.

"We hebben zonnepanelen nodig die minimaal 5 tot 10 jaar meegaan. Voorlopig de levensduur van PSC's is veel korter, " zei dr. Longbin Qiu, eerste auteur van het artikel en een postdoctoraal onderzoeker in de OIST Energy Materials and Surface Sciences Unit, onder leiding van prof. Yabing Qi.

De studie, online gepubliceerd in Geavanceerde functionele materialen op 13 dec. 2018, ondersteunt eerder bewijs dat een veelgebruikt materiaal in PSC's, titaandioxide genoemd, degradeert de apparaten en beperkt hun levensduur. De onderzoekers vervingen dit materiaal door tindioxide, een sterkere geleider zonder deze degraderende eigenschappen. Ze optimaliseerden hun methode om tindioxide toe te passen om stabiele, efficiënte en schaalbare PSC's.

Bij experimenten, de onderzoekers ontdekten dat apparaten op basis van tindioxide een levensduur hebben van meer dan drie keer langer dan PSC-apparaten die titaniumdioxide gebruiken. "Tindioxide kan gebruikers de apparaatprestaties geven die ze nodig hebben, ' zei Qi.

Een verbeterd ontwerp

PSC's bestaan ​​uit gelaagde materialen, elk met een specifieke functie. De "actieve laag, " gemaakt van perovskiet materialen, absorbeert binnenkomend zonlicht in de vorm van deeltjes die fotonen worden genoemd. Als een foton een zonnecel raakt, het genereert negatief geladen elektronen en positief geladen gaten in de actieve laag. Wetenschappers controleren de stroom van deze elektronen en gaten door de actieve laag tussen twee "transportmaterialen, " waardoor een ingebouwd elektrisch veld ontstaat.

Om elektronen in de goede richting te sturen, veel PSC's bevatten een "elektronentransportlaag". De meeste PSC's gebruiken titaniumdioxide als hun elektronentransportlaag, maar bij blootstelling aan zonlicht, het materiaal reageert met perovskiet en degradeert uiteindelijk het apparaat. Tindioxide staat als een levensvatbare vervanging voor titaniumdioxide, maar vóór deze studie, het was niet met succes opgenomen in een grootschalig apparaat.

Met behulp van een veelgebruikte techniek in de industrie, sputterdepositie genaamd, de onderzoekers leerden hoe ze een effectieve elektronentransportlaag konden maken van tindioxide. Sputterdepositie werkt door het doelmateriaal te bombarderen, hier tindioxide, met geladen deeltjes, waardoor het naar boven op een wachtoppervlak sproeit. Door de kracht van het sputteren en de snelheid van de afzetting nauwkeurig te regelen, de onderzoekers produceerden gladde lagen met een uniforme dikte over een groot gebied.

Hun nieuwe zonnecellen behaalden een rendement van ruim 20 procent. Om de schaalbaarheid van deze nieuwe methode aan te tonen, de onderzoekers fabriceerden vervolgens zonnepanelen van 5 bij 5 centimeter met een aangewezen oppervlakte van 22,8 vierkante centimeter, vinden dat de resulterende apparaten meer dan 12 procent efficiëntie vertoonden. Dit onderzoek, die werd ondersteund door het Proof-of-Concept-programma van het OIST Technology Development and Innovation Center, vertegenwoordigt een cruciale stap voorwaarts in de richting van het voldoen aan de huidige industriestandaard voor PSC-efficiëntie.

Verhuizen naar markt

De onderzoekers zijn van plan door te gaan met het optimaliseren van hun PSC-ontwerp met als doel grootschalige zonnemodules met verbeterde efficiëntie te produceren. De onderzoekseenheid experimenteert met flexibele, transparante zonne-apparaten en heeft tot doel hun geoptimaliseerde PSC-ontwerp toe te passen in zonnevensters, gordijnen, rugzakken en inzetbare oplaadeenheden.

"We willen deze apparaten opschalen naar een groot formaat, en hoewel hun efficiëntie al redelijk is, we willen het verder pushen, " zei Prof. Qi. "We zijn optimistisch dat in de komende jaren, deze technologie zal levensvatbaar zijn voor commercialisering."