Een perovskiet-zonnecel, ontwikkeld door ingenieurs van de Universiteit van Californië in San Diego, brengt onderzoekers dichter bij het doorbreken van het plafond voor de efficiëntie van zonnecellen, suggereert een studie die op 10 augustus in Nature is gepubliceerd. .

De nieuwe zonnecel is een loodvrij laagdimensionaal perovskietmateriaal met een superroosterkristalstructuur - een primeur in het veld. Het bijzondere aan dit materiaal is dat het een efficiënte dragerdynamiek vertoont in drie dimensies, en dat de oriëntatie van het apparaat loodrecht op de elektroden kan staan. Materialen in deze specifieke klasse van perovskieten hebben tot nu toe alleen een dergelijke dynamiek in twee dimensies vertoond:een loodrecht georiënteerde zonnecel is nog nooit gerapporteerd.

Dankzij zijn specifieke structuur bereikt dit nieuwe type superrooster-zonnecel een efficiëntie van 12,36%, het hoogste gerapporteerde voor loodvrije, laagdimensionale perovskiet-zonnecellen (de efficiëntie van de vorige recordhouder was 8,82%). De nieuwe zonnecel heeft ook een ongebruikelijke nullastspanning van 0,967 V, wat hoger is dan de theoretische limiet van 0,802 V. Beide resultaten zijn onafhankelijk gecertificeerd.

De nullastspanning is een eigenschap van een zonnecel die bijdraagt ​​aan de efficiëntie ervan, dus deze nieuwe zonnecel "kan het potentieel hebben om de theoretische efficiëntielimiet van de huidige zonnecellen te doorbreken", zei senior auteur Sheng Xu, een professor in nano-engineering bij de UC San Diego. "Hierdoor kunnen we ooit een hoger rendement halen met meer elektriciteit uit bestaande zonnepanelen, of dezelfde hoeveelheid elektriciteit opwekken uit kleinere zonnepanelen tegen lagere kosten."

De onderzoekers veronderstellen dat de verbeterde nullastspanning van het materiaal kan worden toegeschreven aan een nieuw fysiek mechanisme dat ze intraband-draaggolfrelaxatie noemen. De unieke superroosterstructuur van het materiaal zorgt ervoor dat verschillende componenten van de zonnecel in verticale richting kunnen worden geïntegreerd, waardoor een dubbele bandstructuur op atomaire schaal ontstaat. Onder licht kunnen de geëxciteerde elektronen ontspannen van de ene component (kleiner bandgapgebied) naar een andere component (groter bandgapgebied) voordat ze in evenwicht komen om de fermi-niveaus in de superrooster-zonnecel te veranderen. Dit draagt ​​bij aan een hogere nullastspanning. Er is geverifieerd dat dit proces gerelateerd is aan het ingebouwde potentieel in de superrooster-zonnecel. De onderzoekers erkennen ook dat er andere mogelijke mechanismen optreden in de unieke superroosterstructuur die kunnen bijdragen aan de ongewoon hoge nullastspanning.

Om de nieuwe loodvrije, laagdimensionale perovskiet-zonnecel te maken, gebruikten de onderzoekers chemische epitaxietechnieken om een ​​superroosterkristalnetwerk te fabriceren. De structuur van het netwerk is uniek omdat het bestaat uit perovskiet-kwantumbronnen die verticaal uitgelijnd en gekruist zijn. Deze doorkruiste structuur maakt de dragerdynamiek van het materiaal - waaronder elektronenmobiliteit, levensduur en geleidingspaden in alle drie de dimensies - efficiënter dan alleen het hebben van meerdere kwantumbronnen. Deze technieken kunnen mogelijk worden gebruikt om perovskiet-superroosters van verschillende samenstellingen te maken.

"Dit superrooster van perovskiet demonstreert ongekende transportprestaties waar veel onderzoekers in het veld van hebben gedroomd", zegt Yusheng Lei, de hoofdauteur van dit artikel, die een Ph.D. student in Xu's lab aan de UC San Diego en is nu een postdoctoraal onderzoeker aan de Stanford University.

Het superrooster bestaat uit een nanoengineered fasescheiding tussen Bi ³⁺ gelegeerde en intacte Sn-I-regio's in verticaal uitgelijnde multi-quantum-wells. Deze samenstelling creëert componentvariaties op atomaire schaal, waardoor hete dragers snel de heterostructurele interface met meerdere kwantumputten kunnen oversteken voordat ze ontspannen - een prestatie die meestal onmogelijk te bereiken is, legden de onderzoekers uit. Hier is het mogelijk vanwege de korte diffusielengte die nodig is om de heterostructurele interface te passeren.

"Dit werk opent veel nieuwe opwindende mogelijkheden voor de klasse van loodvrije, laagdimensionale perovskietmaterialen", zei Xu. In de toekomst zal het team werken aan het optimaliseren en opschalen van het fabricageproces om de superroosterkristallen te maken, wat momenteel nog steeds arbeidsintensief en uitdagend is. Xu hoopt partners in de zonnecelindustrie te betrekken bij het standaardiseren van het proces. + Verder verkennen

Nieuw record voor efficiëntie van zonnecellen wijst op mooie toekomst voor zonnetechnologie