Die Entfesselung Perowskite Potenzial für Solarzellen

Perowskite - eine breite Kategorie von Verbindungen, die eine bestimmte Kristallstruktur teilen - haben eine große Aufmerksamkeit als potentielle neue Solarzellen aufgrund ihrer geringen Kosten angezogen, Flexibilität, und relativ einfacher Herstellungsprozess. Aber es bleibt noch viel Unbekanntes über die Einzelheiten ihrer Struktur und die Auswirkungen der Substitution von verschiedenen Metallen oder anderen Elementen innerhalb des Materials.

Herkömmliche Solarzellen aus Silizium müssen oben bei Temperaturen verarbeitet werden, 1,400 Grad Celsius, teure Ausrüstung, die ihr Potenzial für die Produktion Scaleup begrenzt. Im Gegensatz, Perovskite können in einer flüssigen Lösung bei Temperaturen so niedrig wie verarbeitet werden 100 Grad, Verwendung von kostengünstigen Geräten. Was ist mehr, Perovskite können auf einer Vielzahl von Substraten abgeschieden werden,, einschließlich flexibler Kunststoffe, eine Vielzahl von neuen Anwendungen ermöglicht, die mit dickeren unmöglich sein würde,, steiferen Siliziumwafern.

Solarzellen aus Perowskit haben ein großes Versprechen, teilweise, weil sie leicht auf flexiblen Substraten hergestellt werden, wie diese Versuchszelle. Bild: Ken Richardson

Jetzt, Forscher haben einen wichtigen Aspekt des Verhaltens von Perowskite gemacht mit verschiedenen Formulierungen entziffern konnten: Bei bestimmten Additiven gibt es eine Art von „sweet spot“, wo größere Mengen die Leistung verbessern und darüber hinaus die weitere Mengen beginnen, sie zu degradieren. Die Ergebnisse sind detailliert in dieser Woche in der Zeitschrift Wissenschaft, in einem Papier von ehemaligen MIT Postdoc Juan-Pablo Correa-Baena, MIT Professoren und Tonio Buonassisi Moungi Bawendi, und 18 andere am MIT, die University of California in San Diego, und andere Institutionen.

Perowskite sind eine Familie von Verbindungen, die eine dreiteilige Kristallstruktur teilen. Jeder Teil kann aus einer beliebigen Anzahl von verschiedenen Elementen oder Verbindungen hergestellt werden - was zu einer sehr breiten Palette von möglichen Formulierungen. Buonassisi vergleicht eine neue Perowskit-Gestaltung aus einem Menü zu einer Bestellung, Kommissionierung ein (oder mehr) von jedem der A-Säule, Spalte B, und (vereinbarungs) Spalte X. „Können Sie mischen und anpassen," er sagt, aber bis jetzt alle Varianten nur durch Versuch und Irrtum untersucht werden, da Forscher hatten kein grundlegendes Verständnis von dem, was in dem Material vorging.

In der bisherigen Forschung von einem Team an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne, in denen Correa-Baena teilgenommen, dass die Zugabe bestimmte Alkalimetalle konnte gefunden hatte zur Perowskit Mischung der Materialeffizienz bei der Umwandlung von Sonnenenergie in Elektrizität verbessern, Ab ca 19 Prozent auf etwa 22 Prozent. Aber zu der Zeit gibt es keine Erklärung für diese Verbesserung, und kein Verständnis dafür, was genau diese Metalle in der Verbindung taten. „Es war sehr wenig darüber bekannt, wie sich die Mikrostruktur auf die Leistung auswirkt,"Buonassisi sagt.

Jetzt, detaillierte Kartierung mit hochauflösenden Synchrotron-Nano-Röntgenfluoreszenzmessungen, Dies kann das Material mit einem Strahl untersuchen, der nur ein Tausendstel der Breite eines Haares beträgt, hat die Details des Prozesses enthüllt, mit möglichen Hinweisen, wie die Leistung des Materials noch weiter verbessert werden kann.

Es stellt sich heraus, dass die Zugabe dieser Alkalimetalle, wie Cäsium oder Rubidium, Die Perowskitverbindung hilft einigen der anderen Bestandteile, sich reibungsloser zu vermischen. Wie das Team es beschreibt, Diese Additive helfen, die Mischung zu „homogenisieren“, Dadurch wird der Strom leichter geleitet und der Wirkungsgrad als Solarzelle verbessert. Aber, Sie fanden, das funktioniert nur bis zu einem bestimmten punkt. Ab einer bestimmten Konzentration, Diese zugesetzten Metalle verklumpen, Bildung von Bereichen, die die Leitfähigkeit des Materials beeinträchtigen und dem anfänglichen Vorteil teilweise entgegenwirken. Zwischen, für jede gegebene Formulierung dieser Komplexverbindungen, ist der Sweet Spot, der die beste Leistung bietet, Sie fanden.

„Es ist eine große Erkenntnis,“, Sagt Correa-Baena, der im Januar wurde ein Assistent Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der Georgia Tech. Was die Forscher fanden heraus, Nach etwa drei Jahren Arbeit am MIT und mit Mitarbeitern an der UCSD, „War das, was passiert, wenn Sie diese Alkalimetalle hinzufügen, und warum die Leistung verbessert.“Sie waren in der Lage, direkt auf die Veränderungen in der Zusammensetzung des Materials zu beobachten, und offenbaren, unter anderem, Diese gegenläufigen Effekte von Homogenisieren und Verklumpung.

„Die Idee ist, dass, basierend auf diesen Erkenntnissen, wir wissen jetzt, sollten wir in ähnlichen Systemen suchen, in Bezug auf die Zugabe von Alkalimetallen oder anderen Metallen,“Oder variierende andere Teile der Rezeptur, Correa-Baena sagt. Während Perowskite hat große Vorteile gegenüber herkömmlichen Solarzellen Silizium, insbesondere im Hinblick auf die niedrigen Kosten der Fabriken einrichten, sie zu produzieren, sie müssen noch weiter arbeiten, um ihre Gesamteffizienz steigern und ihre Langlebigkeit verbessern, die nacheilt deutlich hinter den Siliziumzellen.

Obwohl die Forscher haben die strukturellen Veränderungen zu klären, die im Perovskitmaterial nehmen, wenn verschiedene Metalle Zugabe, und die daraus resultierenden Veränderungen in der Leistung, „Wir noch nicht verstehen, die Chemie dahinter,“Correa-Baena sagt. Das ist Gegenstand der laufenden Forschung durch das Team. Die theoretische maximale Effizienz dieser Perowskit-Solarzellen ist über 31 Prozent, nach Correa-Baena, und die beste Leistung auf dem neuesten Stand ist um 23 Prozent, Es bleibt also ein erheblicher Spielraum für Verbesserungspotenziale.

Obwohl es Jahre dauern kann, bis Perowskiten ihr volles Potenzial entfalten, Mindestens zwei Unternehmen sind bereits dabei, Produktionslinien einzurichten, und sie gehen davon aus, dass sie ihre ersten Module im nächsten Jahr oder so verkaufen werden. Einige davon sind klein, transparente und farbenfrohe Solarzellen, die in die Fassade eines Gebäudes integriert werden sollen. "Es passiert bereits,“Correa-Baena sagt, "Aber es gibt noch viel zu tun, um diese haltbarer zu machen."

Einmal Fragen der Herstellbarkeit in großem Maßstab, Wirksamkeit, und Haltbarkeit werden angesprochen, Buonassisi sagt, Perowskite könnten zu einem wichtigen Akteur in der Branche für erneuerbare Energien werden. „Wenn es ihnen gelingt, nachhaltig zu machen, Hocheffiziente Module unter Beibehaltung der geringen Herstellungskosten, das könnte bahnbrechend sein," er sagt. "Es könnte einen viel schnelleren Ausbau der Solarenergie ermöglichen, als wir gesehen haben."

Perowskit-Solarzellen “sind jetzt Hauptkandidaten für die Kommerzialisierung. Somit, tiefere Einblicke gewähren, wie in dieser Arbeit gemacht, trägt zur zukünftigen Entwicklung bei,Sagt Michael Saliba, ein leitender Forscher an der Physik der weichen Materie an der Universität Freiburg, Schweiz, die nicht in dieser Forschung beteiligt.

Saliba fügt, „Das ist großes Werk, das Licht auf einige der untersuchten Materialien vergießen. Die Verwendung von Synchrotron-, neue Techniken in Kombination mit neuartiger Werkstofftechnik sind von höchster Qualität, und ist verdient in einer solchen hochrangigen Zeitschrift erscheinen.“Er fügt hinzu, dass die Arbeit in diesem Bereich„schnell voran. Somit, Detailliertere Kenntnisse sind wichtig, um zukünftige technische Herausforderungen zu bewältigen. “

Quelle: http://news.mit.edu