Uusi malli aurinkokennoille, jotka käyttävät edullisia, yleisesti saatavilla olevia materiaaleja, voisivat kilpailla ja jopa ylittää tavanomaisia ​​piitä valmistettuja soluja.

Tutkijat ovat käyttäneet tinaa ja muita runsaasti elementtejä luodakseen uusia perovskiitin muotoja - valosähköistä kiteistä materiaalia, joka on ohuempi, joustavampi ja helpompi valmistaa kuin piikiteitä. He raportoivat tutkimuksestaan ​​lehdessä tiede.

”Perovskite-puolijohteet ovat osoittaneet suurta lupaa tehdä tehokkaita aurinkokennoja edullisin kustannuksin,” sanoo Stanfordin yliopiston materiaalitieteen ja -tekniikan professori Michael McGehee. ”Olemme suunnitelleet vankan, all-perovskite-laitteen, joka muuntaa auringonvalon sähköksi 20.3-prosentin tehokkuudella.

Kaksinkertainen perovskiittipino

Uusi laite koostuu kahdesta perovskiitin aurinkokennosta, jotka on pinottu yhteen. Jokainen solu on painettu lasille, mutta samaa tekniikkaa voitaisiin käyttää solujen tulostamiseen muoviin.

"All-perovskite-tandem-solut, jotka olemme osoittaneet, esittävät selkeästi ohjelmaa ohutkalvoista aurinkokennoista, jotta 30-prosentin tehokkuus saavutetaan", sanoo Oxfordin yliopiston fysiikan professori Henry Snaith. "Tämä on vasta alkua."

Aiemmat tutkimukset osoittivat, että perovskiitin kerroksen lisääminen voi parantaa piikammioiden tehokkuutta. Mutta tandem-laite, joka koostuu kahdesta all-perovskite-solusta, olisi halvempaa ja vähemmän energiaintensiivistä rakentaa, tutkijat sanovat.

”Piin aurinkopaneeli alkaa muuttamalla piidioksidikiveä piikiteiksi prosessin kautta, jossa lämpötila on yli 3,000-astetta Fahrenheit (1,600-asteet), sanoo Stanfordin tutkijatohtori Tomas Leijtens. ”Perovskite-soluja voidaan käsitellä laboratoriossa tavallisista materiaaleista, kuten lyijy, tina ja bromi, ja sitten ne painetaan lasille huoneenlämpötilassa.”

Vaikea haaste

Mutta kaikki perovskiitti-tandem-laitteen rakentaminen on ollut vaikea haaste. Tärkein ongelma on luoda stabiileja perovskite-materiaaleja, jotka pystyvät vangitsemaan riittävästi energiaa auringosta tuottamaan kunnon jännitteen.

Tyypillinen perovskiitti-solu kerää fotoneja aurinkospektrin näkyvästä osasta. Korkeamman energian fotonit voivat aiheuttaa perovskiitin kristallin elektronien hyppäämisen yli "energiavälin" ja luoda sähkövirran.

Aurinkokenno, jossa on pieni energiaväli, voi absorboida suurimman osan fotoneista, mutta tuottaa erittäin alhaisen jännitteen. Solu, jolla on suurempi energiavaje, tuottaa korkeamman jännitteen, mutta alemman energian fotonit kulkevat sen läpi.

Tehokas tandem-laite koostuisi kahdesta ihanteellisesti yhteensopivasta solusta, sanoo yhteistyössä johtava tekijä Giles Eperon, Oxfordin jatko-tutkija, joka on tällä hetkellä Washingtonin yliopistossa.

”Suuremmalla energiavajeella oleva solu absorboi korkeamman energian fotoneja ja tuottaa lisäjännitteen”, Eperon sanoo. ”Pienempi energiavajeella oleva solu voi kerätä fotoneja, joita ensimmäinen solu ei kerää ja tuottaa edelleen jännitteen.”

Vakausongelma

Pienempi ero on osoittautunut suuremmaksi haasteeksi tutkijoille. Yhdessä Eperon ja Leijtens käyttivät ainutlaatuista tinan, lyijyn, cesiumin, jodin ja orgaanisten materiaalien yhdistelmää tehokkaan solun luomiseksi, jolla on pieni energiavaje.

”Kehitimme uuden perovskiitin, joka absorboi pienemmän energian infrapunavalon ja tuottaa 14.8-prosentin muuntotehokkuuden”, Eperon sanoo. ”Yhdistimme sen sitten perovskite-soluun, joka koostui samankaltaisista materiaaleista, mutta jolla oli suurempi energiavaje.”

Tulos: Tandem-laite, joka koostuu kahdesta perovskiitti- solusta, joiden yhteenlaskettu tehokkuus on 20.3 prosenttia.

"Perovskiteille on tuhansia mahdollisia yhdisteitä", Leijtens sanoo, "mutta tämä toimii hyvin, melko parempi kuin mikään ennen sitä."

'Liiman' temppu kasvaa suurempia perovskiitti aurinkokennoja

Yksi huoli perovskiteista on vakautta. Kattopaneelit, jotka on valmistettu piistä, ovat tyypillisesti viimeisiä 25-vuotta tai enemmän. Mutta jotkut perovskiitit hajoavat nopeasti, kun ne altistuvat kosteudelle tai valolle. Aikaisemmissa kokeissa tinasta valmistettujen perovskiittien havaittiin olevan erityisen epävakaita.

Vakauden arvioimiseksi tutkimusryhmä altistui molemmille kokeellisille soluille 212-asteisiin Fahrenheit-asteisiin (100 Celsius-asteet) neljän päivän ajan.

”Ratkaisevasti huomasimme, että soluillamme on erinomainen lämpö- ja ilmakehän vakaus, joka on ennennäkemätön tinapohjaisille perovskiteille”, kirjoittajat kirjoittavat.

”Tandem-laitteemme tehokkuus on jo paljon parempi kuin muilla edullisilla puolijohteilla, kuten orgaanisilla pienimolekyyleillä ja mikrokiteisellä piillä valmistetut parhaat tandem-aurinkokennot, McGehee sanoo. "Ne, jotka näkevät mahdollisuuden ymmärtää, että nämä tulokset ovat hämmästyttäviä."

Seuraava askel on optimoida materiaalien koostumus absorboimaan enemmän valoa ja synnyttää vielä suurempi virta, Snaith sanoo.

”Perovskiittien monipuolisuus, materiaalien ja valmistuksen alhaiset kustannukset, jotka nyt yhdistyvät potentiaaliin saavuttaa erittäin korkeat hyötysuhteet, muuttuvat aurinkosähköteollisuudelle, kun valmistettavuus ja hyväksyttävä vakaus ovat myös osoittautuneet”, hän sanoo.

Muut tutkijat Stanfordista, Oxfordista, Hasseltin yliopistosta Belgiassa ja SunPreme Inc. ovat tutkimuksen tekijöitä.

Rahoitus tuli Graphene-lippulaivalta, The Leverhulme Trustilta, Ison-Britannian tekniikan ja fysiikan tutkimusneuvostolta, Euroopan unionin seitsemänneltä puiteohjelmalta, Horisontti 2020 -yritykseltä, Yhdysvaltain meritutkimusvirastolta ja Stanfordin globaalista ilmasto- ja energiahankkeesta.

Lähde: Stanfordin yliopisto

Liittyvät kirjat:

at InnerSelf Market ja Amazon