De toekomst wordt rooskleuriger voor zonne-energie. Onderzoekers van CU Boulder hebben een goedkope zonnecel gemaakt met een van de hoogste stroomconversie-efficiënties tot nu toe, door cellen in lagen te leggen en een unieke combinatie van elementen te gebruiken.

"We hebben een product genomen dat verantwoordelijk is voor een industrie van $ 30 miljard per jaar en hebben het 30% beter gemaakt, " zei Michael McGehee, een professor in de afdeling Chemische en Biologische Technologie en co-auteur van een paper, wordt morgen gepubliceerd in Wetenschap , die de technologie beschrijft. "Dat is een groot probleem."

De onderzoekers namen een perovskiet-zonnecel, een kristalstructuur die is ontworpen om fotonen met hogere energie te oogsten, en legde het op een silicium zonnecel, die meer fotonen opvangt in het infrarode deel van het spectrum - dat bestaat uit stralingsenergie die we niet kunnen zien, maar we kunnen voelen als warmte. gecombineerd, de perovskiet verhoogt een silicium zonnecel van 21% tot een efficiëntie van 27% - en verhoogt het met een derde.

Voor jaren, silicium zonnecellen zijn de standaard in de zonne-energie-industrie. Maar de huidige op silicium gebaseerde cellen zetten gemiddeld slechts 18% tot 21% van de zonne-energie om in bruikbare elektriciteit, en ze komen uit op ongeveer 26,6%.

Dit betekent dat het nu meer kost om de cellen te installeren dan om ze te kopen, zei McGehee, een fellow in het Renewable &Sustainable Energy Institute.

Het gemiddelde rendement van zonnepanelen is lager dan het maximale rendement, want hoe goed iemand ook is, kleine zonnecel is, het zal ongeveer drie procentpunten verliezen wanneer het wordt toegepast op een groot paneel - een beetje zoals een sportteam dat maar zo goed is als zijn gemiddelde speler. Maar als u de algehele efficiëntie kunt verhogen, je hoeft niet zoveel panelen te installeren om dezelfde hoeveelheid stroom te krijgen.

Wat de efficiëntie drastisch verbetert, is door een andere zonnecel bovenop een bestaande te plaatsen - en dat is precies wat McGehee en zijn collega-onderzoekers deden.

Een betaalbare geheime formule

Dit is niet de eerste keer dat onderzoekers gelaagde zonnecellen hebben om efficiënter te worden. Het concept, ook bekend als tandem- of multi-junction-zonnecellen, werd voor het eerst geïntroduceerd in de jaren zeventig en het wereldrecord voor zonnecelefficiëntie is al meer dan 45%. Echter, het kwam tegen een forse prijs:$ 80, 000 per vierkante meter, vanwege het feit dat de cellen één atoomlaag per keer werden gekweekt, het creëren van één grote, enkel kristal. Waarschijnlijk geen kosten die de gemiddelde huiseigenaar of het bedrijf zich kan veroorloven.

McGehee en zijn collega-onderzoekers zijn de pioniers in een nieuwe richting van gelaagde zonnecellen, perovskieten gebruiken, die meer dan honderd keer minder kosten.

Ze begonnen minder dan 10 jaar geleden met het concept om goedkopere materialen te gebruiken bovenop het silicium, en bereikte aanvankelijk slechts ongeveer 13% efficiëntie. Maar door technologische verbeteringen hebben ze dat aantal meer dan kunnen verdubbelen.

Hun geheime formule omvat een unieke triple-halogenidelegering van chloor, broom, en jodium.

Bij zonnecellen, er is een ideale bandgap, volgens McGehee. Dit is de ruimte tussen energieniveaus in een halfgeleider, waartussen elektronen springen en elektrische energie creëren.

Broom kan deze bandgap vergroten, maar bij gebruik met jodium en blootgesteld aan licht, deze elementen blijven niet altijd op hun plaats. Eerdere studies hebben geprobeerd om chloor en jodium samen te gebruiken, maar vanwege de verschillende deeltjesgroottes van deze elementen, er kon niet genoeg chloor in de kristalstructuur van perovskiet passen. Maar door verschillende hoeveelheden chloor te gebruiken, broom, en jodium, de onderzoekers bedachten een manier om de kristalstructuur te verkleinen, waardoor er meer chloor in kan passen, waardoor de efficiëntie van de cel wordt gestabiliseerd en verbeterd.

Perovskieten zijn ook goedkoop, niet energie-intensief om te maken en makkelijk te maken in het lab. En zelfs na 1000 uur - of bijna 42 dagen - intensieve licht- en warmtetesten, deze nieuwe zonnecellen vertoonden een minimale verandering in hun initiële efficiëntie.

Nu de markt voor zonne-energie met ongeveer 30% per jaar groeit, efficiëntie, kosten en levensduur zijn belangrijke overwegingen waarvoor nieuwe technologieën mainstream zullen worden.

McGehee is optimistisch over het potentieel van deze brede bandgap, gelaagde perovskiet zonnecel.

Het heeft nu niet alleen het maximale rendement van een zonnecel met alleen silicium overtroffen, "wij geloven dat het ons meer dan 30% efficiëntie kan opleveren en dat het stabiel kan zijn, ' zei McGehee.