Zonnecellen zijn apparaten die fotonen uit zonlicht absorberen en hun energie omzetten om elektronen te verplaatsen, wat de productie van schone energie mogelijk maakt en een betrouwbare route biedt om klimaatverandering tegen te gaan. Maar de meeste zonnecellen die tegenwoordig veel worden gebruikt, zijn dik, breekbaar en stijf, wat hun toepassing op vlakke oppervlakken beperkt en de kosten om de zonnecel te maken verhoogt.

"Thin-film zonnecellen" zouden 1/100ste van de dikte van een stuk papier kunnen zijn en flexibel genoeg om oppervlakken te versieren, variërend van een aerodynamisch slanke auto tot kleding. Om dunnefilmzonnecellen te maken, wetenschappers gaan verder dan de "klassieke" halfgeleiderverbindingen, zoals galliumarsenide of silicium, en in plaats daarvan werken met andere lichte oogststoffen die het potentieel hebben om goedkoper en gemakkelijker in massaproductie te zijn. De verbindingen zouden op grote schaal kunnen worden toegepast als ze net zo goed zouden presteren als de huidige technologie.

In een paper dat dit voorjaar online is gepubliceerd in het tijdschrift Natuurfotonica , wetenschappers van de Universiteit van Washington melden dat een prototype van een dunne film van halfgeleiders zelfs beter heeft gepresteerd dan de beste zonnecelmaterialen van vandaag bij het uitstralen van licht.

"Het klinkt misschien vreemd, aangezien zonnecellen licht absorberen en omzetten in elektriciteit, maar de beste zonnecelmaterialen zijn ook goed in het uitstralen van licht, " zei co-auteur en UW professor in de chemische technologie Hugh Hillhouse, die ook een faculteitslid is bij zowel het Clean Energy Institute van de UW als het Molecular Engineering &Sciences Institute. "In feite, typisch hoe efficiënter ze licht uitstralen, hoe meer spanning ze genereren."

Het UW-team behaalde een recordprestatie in dit materiaal, bekend als een loodhalogenide perovskiet, door het chemisch te behandelen via een proces dat bekend staat als "oppervlaktepassivering, " die onvolkomenheden behandelt en de kans verkleint dat de geabsorbeerde fotonen uiteindelijk worden verspild in plaats van omgezet in bruikbare energie.

"Een groot probleem met perovskiet-zonnecellen is dat te veel geabsorbeerd zonlicht eindigde als verspilde warmte, geen bruikbare elektriciteit, " zei co-auteur David Ginger, een UW-hoogleraar chemie en hoofdwetenschapper aan het CEI. "We hebben goede hoop dat strategieën voor oppervlaktepassivering zoals deze de prestaties en stabiliteit van perovskiet-zonnecellen zullen helpen verbeteren."

De teams van Ginger's en Hillhouse werkten samen om aan te tonen dat oppervlaktepassivering van perovskieten de prestaties sterk verhoogde tot een niveau dat dit materiaal tot het beste voor dunnefilmzonnecellen zou maken. Ze experimenteerden met een verscheidenheid aan chemicaliën voor oppervlaktepassivering voordat ze er een vonden, een organische verbinding die bekend staat onder de afkorting TOPO, die de prestaties van perovskiet verhoogde tot niveaus die de beste galliumarsenide-halfgeleiders benaderen.

"Ons team bij de UW was een van de eersten die prestatiebeperkende defecten aan de oppervlakken van perovskietmaterialen identificeerde, en nu zijn we verheugd dat we een effectieve manier hebben ontdekt om deze oppervlakken chemisch te manipuleren met TOPO-moleculen, " zei co-hoofdauteur Dane deQuilettes, een postdoctoraal onderzoeker aan het Massachusetts Institute of Technology die dit onderzoek deed als promovendus scheikunde aan de UW. "Aanvankelijk, we waren echt verrast toen we ontdekten dat de gepassiveerde materialen net zo goed leken als galliumarsenide, die het record voor de efficiëntie van zonnecellen bezit. Dus om onze resultaten dubbel te controleren, we hebben een paar verschillende benaderingen bedacht om de verbeteringen in de kwaliteit van het perovskietmateriaal te bevestigen."

DeQuilettes en co-hoofdauteur Ian Braly, die dit onderzoek deed als doctoraatsstudent scheikundige technologie, toonde aan dat TOPO-behandeling van een perovskiet-halfgeleider een significante invloed had op zowel de interne als externe fotoluminescentie-kwantumefficiëntie - metrieken die worden gebruikt om te bepalen hoe goed een halfgeleidend materiaal is in het gebruik van de energie van een geabsorbeerd foton in plaats van het als warmte te verliezen. TOPO-behandeling van de perovskiet verhoogde de interne fotoluminescentie kwantumefficiëntie met een factor tien - van 9,4 procent tot bijna 92 ​​procent.

"Onze metingen die de efficiëntie observeren waarmee gepassiveerde hybride perovskieten licht absorberen en uitstralen, tonen aan dat er geen inherente materiële gebreken zijn die verdere verbeteringen aan de zonnecel verhinderen, "zei Braly. "Verder, door de emissiespectra aan te passen aan een theoretisch model, we hebben aangetoond dat deze materialen spanningen kunnen genereren van 97 procent van het theoretische maximum, gelijk aan het wereldrecord galliumarsenide zonnecel en veel hoger dan record siliciumcellen die slechts 84 procent bereiken."

Deze verbeteringen in materiaalkwaliteit worden theoretisch voorspeld om de licht-naar-elektriciteit stroomconversie-efficiëntie mogelijk te maken tot 27,9 procent onder normale zonlichtniveaus, die het op perovskiet gebaseerde fotovoltaïsche record voorbij de beste siliciumapparaten zou duwen.

De volgende stap voor perovskieten, zeiden de onderzoekers, is om een ​​vergelijkbare chemische passivering te demonstreren die compatibel is met eenvoudig te vervaardigen elektroden, en om te experimenteren met andere soorten oppervlaktepassivering.

"Perovskieten hebben al ongekend succes getoond in fotovoltaïsche apparaten, maar er is nog zoveel ruimte voor verbetering, "zei deQuilettes. "Hier denken we dat we de gemeenschap een pad voorwaarts hebben gegeven om de energie van de zon beter te benutten."