Een team van onderzoekers van de faculteit Toegepaste Wetenschappen en Techniek van de Universiteit van Toronto heeft kwantummechanica gebruikt om de actieve laag in een apparaat te optimaliseren dat bekend staat als een omgekeerde perovskiet-zonnecel - een technologie die op een dag zou kunnen resulteren in zonnecellen op de massamarkt die kosten een fractie van de huidige op de markt.

Op dit moment worden vrijwel alle commerciële zonnecellen gemaakt van zeer zuiver silicium, wat veel energie kost om te produceren. Maar onderzoekers over de hele wereld experimenteren met alternatieve zonnetechnologieën die met minder energie en tegen lagere kosten kunnen worden vervaardigd en geïnstalleerd.

Een van deze alternatieven, die wordt bestudeerd in het laboratorium van de Sargent Group, staat bekend als perovskiet. De kracht van perovskietmaterialen komt van hun unieke kristalstructuur, waardoor ze licht in een zeer dunne laag kunnen absorberen en efficiënt in elektriciteit kunnen omzetten.

"Perovskietkristallen worden gemaakt van vloeibare inkt en gecoat op oppervlakken met behulp van technologie die al goed ingeburgerd is in de industrie, zoals roll-to-roll printen", zegt Hao Chen, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Sargent en een van de vier co -hoofdauteurs van een nieuw artikel gepubliceerd in Nature Photonics .

"Hierdoor hebben perovskiet-zonnecellen het potentieel om in massa geproduceerd te worden tegen veel lagere energiekosten dan silicium. De uitdaging is dat perovskiet-zonnecellen op dit moment achterblijven bij traditionele siliciumcellen in stabiliteit. In deze studie wilden we die kloof dichten. "

Chen, samen met zijn co-hoofdauteurs - Ph.D. kandidaat Sam Teale en postdoctorale onderzoekers Bin Chen en Yi Hou gebruiken een strategie op basis van een omgekeerde zonnecelstructuur.

In de meeste prototypes van perovskiet-zonnecellen gaan elektronen naar buiten via een negatieve elektrode in de onderste laag van de cel, met de "gaten" die ze achterlaten via een positieve elektrode aan de bovenkant.

Het omkeren van deze opstelling maakt het gebruik van alternatieve productietechnieken mogelijk en onderzoek uit het verleden heeft aangetoond dat deze de stabiliteit van de perovskietlaag kunnen verbeteren. Maar de verandering gaat ten koste van de prestaties.

"Het is moeilijk om goed contact te krijgen tussen de perovskietlaag en de bovenste elektrode", zegt Chen. "Om dit op te lossen, voegen onderzoekers meestal een passiveringslaag toe die is gemaakt van organische moleculen. Dat werkt heel goed in de traditionele oriëntatie, omdat 'gaten' dwars door deze passiveringslaag kunnen gaan. Maar elektronen worden door deze laag geblokkeerd, dus als je de cel wordt het een groot probleem."

Het team overwon deze beperking door gebruik te maken van de kwantummechanica - het fysieke principe dat het gedrag van materialen op zeer kleine lengteschalen aangeeft, verschilt van wat wordt waargenomen bij grotere.

"In onze prototype-zonnecellen zijn de perovskieten beperkt tot een extreem dunne laag - slechts één tot drie kristallen hoog", zegt Teale. "Deze tweedimensionale vorm stelt ons in staat om toegang te krijgen tot eigenschappen die verband houden met de kwantummechanica. We kunnen bijvoorbeeld bepalen welke golflengten van licht de perovskieten absorberen, of hoe elektronen binnen de laag bewegen."

Het team gebruikte eerst een chemische techniek die door andere groepen was ontwikkeld om een ​​tweedimensionaal perovskietoppervlak op hun zonnecel te produceren. Hierdoor kon de perovskietlaag zelf passiveren, waardoor de organische laag helemaal niet meer nodig was.

Om het elektronblokkerende effect te overwinnen, verhoogde het team de dikte van de perovskietlaag van één kristal in hoogte tot drie. Computersimulaties hadden aangetoond dat deze verandering het energielandschap voldoende zou veranderen om elektronen in een extern circuit te laten ontsnappen, een voorspelling die in het laboratorium werd bevestigd.

De energieconversie-efficiëntie van de cellen van het team werd gemeten op 23,9 procent, een niveau dat niet vervaagde na 1000 uur gebruik bij kamertemperatuur. Zelfs bij blootstelling aan een industriestandaard versneld verouderingsproces bij temperaturen tot 65 C, daalden de prestaties na meer dan 500 uur gebruik slechts met acht procent.

Toekomstig werk zal zich richten op het verder verhogen van de stabiliteit van de cellen, ook onder nog hogere temperaturen. Het team wil ook graag cellen bouwen met een groter oppervlak, aangezien de huidige cellen slechts zo'n vijf vierkante millimeter groot zijn.

Toch voorspellen de huidige resultaten veel goeds voor de toekomst van deze alternatieve zonnetechnologie.

"In onze paper vergelijken we onze prototypes met zowel traditionele als omgekeerde perovskiet-zonnecellen die onlangs in de wetenschappelijke literatuur zijn gepubliceerd", zegt Teale.

"De combinatie van hoge stabiliteit en hoge efficiëntie die we hebben bereikt, springt er echt uit. We moeten ook in gedachten houden dat de perovskiettechnologie slechts een paar decennia oud is, terwijl aan silicium al 70 jaar wordt gewerkt. Er zijn nog veel verbeteringen komen." + Verder verkennen

Quantum dots verhogen de efficiëntie en schaalbaarheid van perovskietzonnecellen