Kontrollerade kristaller gör ett nytt solmaterial praktiskt

Ett nytt sätt att kontrollera tillväxten av kristallina material som kallas perovskiter kan leda till kommersiella solceller som träffar en sweet spot med hög prestanda och låg kostnad. Även om enskilda perovskitceller har uppnått lovande resultat i labbet, har det hittills inte varit klart hur de kan göras i enhetliga partier.

Vissa perovskiter kan skörda energin från solljus mycket effektivt eftersom de starkt absorberar både synligt och infrarött ljus. Och till skillnad från kiselfilmer, som tillverkas vid höga temperaturer, kan perovskitfilmer tillverkas av lösning vid mycket lägre temperaturer. Det borde vara möjligt att tillverka perovskitsolceller med hjälp av lågkostnads- och lågenergimetoder som tryckning.

De första perovskitcellerna gjordes 2009, men den bäst kan redan konvertera 17,9 procent av energin i solljus till elektricitet. Det börjar bli konkurrenskraftigt med kommersiella tunnfilmsceller som kadmiumtellurid och kisel, säger Timothy Kelly , en kemist vid University of Saskatchewan i Saskatoon, Kanada.

Det har dock visat sig svårt att konsekvent tillverka perovskitsolceller av hög kvalitet. I de partier som gjorts hittills finns en stor variation i hur effektivt enskilda celler kan omvandla ljus till elektricitet. När man gör 10 olika perovskitceller får man 10 olika effektiviteter, säger man Prashant Kamat , en kemist vid University of Notre Dame i Indiana. Det är frustrerande.

Problemet orsakas av variation i storleken på kristallerna i olika celler. För elektroner i en solcell är gränserna mellan kristaller som väggar, så större kristaller erbjuder färre hinder för elflödet. Ny forskning publicerad i dag i tidskriften Naturens nanoteknik skulle kunna ge ett sätt att lösa det problemet genom att visa hur man kontrollerar tillväxten av perovskitkristaller.

Perovskiten som utvecklas för solceller har en ingredienslista som innehåller ett kolväte, ammoniak, bly och jod. Det finns många perovskiter – namnet syftar på kristallstrukturen hos dessa material – men just den här är mest lovande för användning i solceller. Kristallerna görs i en tvåstegsprocess som börjar med att belägga en yta med blyjodidlösning och låta den torka ut. Därefter beläggs ytan med en lösning av metylammoniumjodid. När det torkar ut kommer föreningar från de två skikten att bilda perovskitkristaller.

Michael Grätzel , kemist vid Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Schweiz, och Nam-Gyu Park , en kemist vid Sungkyunkwan University i Korea, har nu arbetat fram ett recept för att ta kontroll över den processen. De fann att genom att noggrant kontrollera koncentrationerna av startlösningarna och andra bearbetningsförhållanden, kunde de konsekvent göra perovskitfilmer med de större kristallerna som behövs för en effektiv solcell.

De schweiziska och koreanska grupperna använde dessa metoder för att tillverka perovskitsolceller med en genomsnittlig verkningsgrad på 16,4 procent, och mycket liten variation i effektivitet mellan olika celler.

Park säger att nu när det är möjligt att göra högkvalitativ perovskite på ett tillförlitligt sätt, är det dags att ta itu med andra problem med materialet. En är att fukt gör att materialen bryts ner och läcker metylammonium. Park säger att forskare antingen måste hitta ett sätt att täta perovskitsolceller mot fukt eller hitta nya versioner av materialen. Ett annat problem är att materialen är gjorda av bly, som är giftigt.

Efter att ha lärt oss av dessa material borde vi flytta till andra, eftersom bly inte är miljövänligt, och det här materialet är inte stabilt, säger Mercouri Kanatzidis , en kemist vid Northwestern University i Illinois. Han och Northwestern materialforskare Robert Chang har utvecklat en blyfri perovskit som ersätter tenn. Den omvandlar för närvarande bara ljus till elektrisk kraft med en verkningsgrad på 6 procent. Men de är båda optimistiska och pekar på hur de blybaserade materialen förbättrades snabbt från cirka 3 procent 2009 till cirka 18 procent idag.

Under tiden tror Grätzel att de befintliga materialen inte har nått sina övre prestandagränser ännu. Jag tror att 20 procents effektivitet borde vara möjlig på kort sikt, säger han.

Dölj