Onderzoekers van de University of Toronto Engineering en King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) hebben een belangrijk obstakel overwonnen bij het combineren van de opkomende zonne-oogsttechnologie van perovskieten met de commerciële gouden standaard-silicium zonnecellen. Het resultaat is een zeer efficiënte en stabiele tandemzonnecel, een van de best presterende tot nu toe.

"Vandaag, siliciumzonnecellen zijn efficiënter en goedkoper dan ooit tevoren, " zegt professor Ted Sargent, senior auteur van een nieuw artikel dat vandaag is gepubliceerd in Wetenschap . "Maar er zijn grenzen aan hoe efficiënt silicium op zichzelf kan zijn. We zijn gefocust op het overwinnen van deze limieten met behulp van een tandem (tweelaagse) benadering."

Zoals silicium, perovskietkristallen kunnen zonne-energie absorberen om elektronen op te wekken die in een circuit kunnen worden gekanaliseerd. Maar in tegenstelling tot silicium, perovskieten kunnen worden gemengd met vloeistof om een ​​'zonne-inkt' te creëren die op oppervlakken kan worden afgedrukt.

De op inkt gebaseerde productiebenadering, bekend als oplossingsverwerking, is al goed ingeburgerd in de grafische industrie, en heeft daarom het potentieel om de kosten van het maken van zonnecellen te verlagen.

"Het toevoegen van een laag perovskietkristallen bovenop gestructureerd silicium om een ​​tandemzonnecel te creëren, is een geweldige manier om de prestaties te verbeteren, " zegt Yi Hou, postdoctoraal onderzoeker en hoofdauteur van het nieuwe artikel. "Maar de huidige industriestandaard is gebaseerd op wafels - dunne platen kristallijn silicium - die niet zijn ontworpen met deze benadering in gedachten."

Hoewel ze er misschien glad uitzien, standaard siliciumwafels die voor zonnecellen worden gebruikt, hebben kleine piramidale structuren van ongeveer twee micrometer hoog. Het oneffen oppervlak minimaliseert de hoeveelheid licht die weerkaatst op het oppervlak van het silicium en verhoogt de algehele efficiëntie, maar maakt het ook moeilijk om er een uniforme laag perovskieten overheen te coaten.

"De meeste eerdere tandemcellen zijn gemaakt door eerst het siliciumoppervlak te polijsten om het glad te maken, en dan de perovskietlaag toevoegen, " zegt Hou. "Dat werkt, maar tegen meerprijs."

Hou en de rest van het team, waaronder Sargent en KAUST-professor Stefaan De Wolf, pakten het anders aan. Ze vergrootten de dikte van de perovskietlaag, waardoor het hoog genoeg is om zowel de toppen als de valleien te bedekken die door de piramidale structuren zijn gecreëerd.

Het team ontdekte dat de perovskieten in de valleien een elektrisch veld opwekten dat de elektronen die in de perovskietlaag worden gegenereerd scheidt van de elektronen die in de siliciumlaag worden gegenereerd. Dit type ladingsscheiding is gunstig omdat het de kans vergroot dat opgewonden ladingen in het circuit zullen stromen in plaats van in andere delen van de cel.

Het team verbeterde de ladingsscheiding verder door de perovskietkristallen te coaten in een 'passiveringslaag' gemaakt van 1-butaanthiol, een veel voorkomende industriële chemische stof.

De tandemzonnecellen behaalden een rendement van 25,7 procent, zoals gecertificeerd door een onafhankelijke, extern laboratorium, het Fraunhofer Instituut voor Zonne-energie in Freiburg, Duitsland. Dit is een van de hoogste efficiënties ooit gerapporteerd voor dit type ontwerp. Ze waren ook stabiel, bestand tegen temperaturen tot 85 graden Celsius gedurende meer dan 400 uur zonder noemenswaardig prestatieverlies.

"Het feit dat we dit allemaal kunnen doen zonder het silicium te wijzigen, maakt het een drop-in-oplossing, ", zegt Hou. "De industrie kan dit toepassen zonder kostbare wijzigingen aan te brengen in hun bestaande processen."

Hou en het team blijven werken aan verbeteringen aan het ontwerp, inclusief het verhogen van de stabiliteit tot 1, 000 uur, één branchebenchmark.

"We zijn erg trots op de recordprestaties die deze samenwerking heeft kunnen bereiken, maar dit is nog maar het begin, ", zegt Hou. "Door een belangrijke beperking in tandemzonnecellen te overwinnen, we hebben de weg geëffend voor nog grotere winsten."

"Onze aanpak opent een deur voor de silicium-fotovoltaïsche industrie om de grote vooruitgang die de perovskiettechnologie tot nu toe heeft geboekt, ten volle te benutten. ", zegt De Wolf. "Dit kan fotovoltaïsche panelen met hogere prestaties tegen lage kosten op de markt brengen."