Bron: news.northwestern.edu
De bevindingen, vandaag (17 november) gepubliceerd in het tijdschrift Science, beschrijven een oplossing met twee moleculen om verliezen in efficiëntie te overwinnen wanneer zonlicht wordt omgezet in energie. Door eerst een molecuul op te nemen om iets aan te pakken dat oppervlakterecombinatie wordt genoemd, waarbij elektronen verloren gaan als ze worden opgesloten door defecten (ontbrekende atomen op het oppervlak), en een tweede molecuul om recombinatie op het grensvlak tussen lagen te verstoren, bereikte het team een National Renewable Energy Lab (NREL) gecertificeerde efficiëntie van 25,1%, terwijl eerdere benaderingen een efficiëntie bereikten van slechts 24,09%.
"Perovskiet-zonnetechnologie ontwikkelt zich snel en de nadruk van onderzoek en ontwikkeling verschuift van de bulkabsorber naar de interfaces", zegt Northwestern-professor Ted Sargent. "Dit is het cruciale punt om de efficiëntie en stabiliteit verder te verbeteren en ons dichter bij deze veelbelovende route naar steeds efficiëntere zonne-energie te brengen."
Sargent is mede-uitvoerend directeur van het Paula M. Trienens Instituut voor Duurzaamheid en Energie (voorheen ISEN) en een multidisciplinair onderzoeker in materiaalchemie en energiesystemen, met benoemingen in de afdeling chemie van het Weinberg College of Arts and Sciences en de afdeling elektrische en computertechniek aan de McCormick School of Engineering.
Conventionele zonnecellen zijn gemaakt van zeer zuivere siliciumwafels die energie-intensief zijn om te produceren en slechts een vast bereik van het zonnespectrum kunnen absorberen.
Perovskietmaterialen waarvan de grootte en samenstelling kunnen worden aangepast om de golflengten van het licht dat ze absorberen te "afstemmen", waardoor ze een gunstige en potentieel goedkopere, zeer efficiënte opkomende tandemtechnologie worden.
Historisch gezien worden perovskietzonnecellen geplaagd door uitdagingen om de efficiëntie te verbeteren vanwege hun relatieve instabiliteit. De afgelopen jaren hebben de vorderingen van het laboratorium van Sargent en anderen de efficiëntie van perovskietzonnecellen binnen hetzelfde bereik gebracht als wat haalbaar is met silicium.
In het huidige onderzoek concentreerde het team zich, in plaats van te proberen de cel te helpen meer zonlicht te absorberen, op de kwestie van het behouden en behouden van gegenereerde elektronen om de efficiëntie te verhogen. Wanneer de perovskietlaag in contact komt met de elektronentransportlaag van de cel, bewegen elektronen van de een naar de ander. Maar het elektron kan terug naar buiten bewegen en de gaten in de perovskietlaag opvullen of 'recombineren'.
"Recombinatie op het grensvlak is complex", zegt eerste auteur Cheng Liu, een postdoctorale student in het Sargent-lab, dat mede wordt begeleid door Charles E. en Emma H. Morrison, hoogleraar scheikunde Mercouri Kanatzidis. "Het is erg moeilijk om één type molecuul te gebruiken om complexe recombinatie aan te pakken en elektronen vast te houden, dus hebben we overwogen welke combinatie van moleculen we zouden kunnen gebruiken om het probleem vollediger op te lossen."
Uit eerder onderzoek van het team van Sargent is gebleken dat één molecuul, PDAI2, goed werk levert bij het oplossen van interface-recombinatie. Vervolgens moesten ze een molecuul vinden dat defecten aan het oppervlak zou kunnen repareren en zou voorkomen dat elektronen ermee zouden recombineren.
Door het mechanisme te vinden dat PDAI2 in staat zou stellen om met een secundair molecuul te werken, concentreerde het team zich op zwavel, dat koolstofgroepen zou kunnen vervangen – die doorgaans slecht zijn in het voorkomen dat elektronen bewegen – om ontbrekende atomen te bedekken en recombinatie te onderdrukken.
"Bij het aanpakken van de belangrijkste inefficiënties die worden aangetroffen in omgekeerde perovskiet-zonnecellen, die voornamelijk te wijten zijn aan niet-stralingsrecombinatieverliezen, wordt een nieuwe standaard op het gebied van de efficiëntie van zonnecellen gezet", zegt de Noordwestelijke professor Mercouri Kanatzidis. "Dit is een goed voorbeeld van hoe het vakgebied van de geavanceerde materiaalchemie de energieomzettingsefficiëntie en de levensduur van opkomende perovskiet-fotovoltaïsche technologieën aanzienlijk kan verbeteren."
Kanatzidis is een toonaangevende autoriteit op het gebied van materiaalchemie en duurzame energieoplossingen, met dubbele benoemingen in de afdeling chemie van Weinberg en de afdeling materiaalkunde en techniek van McCormick.
"We zijn verheugd dat onze bimoleculaire strategie toepasbaarheid toont op een reeks perovskietcomposities, waaronder die die veelbelovend zijn voor tandemzonnecellen", zegt Bin Chen, wetenschappelijk assistent-professor in de scheikunde en co-auteur van het artikel.
Een recent artikel van dezelfde groep, gepubliceerd in Nature, ontwikkelde een coating voor het substraat onder de perovskietlaag om de cel te helpen langer bij een hogere temperatuur te werken. Deze oplossing kan volgens Liu samenwerken met de bevindingen in het Science-artikel.
Hoewel het team hoopt dat hun bevindingen de grotere wetenschappelijke gemeenschap zullen aanmoedigen om het werk vooruit te helpen, zullen ook zij aan vervolgonderzoeken werken.
"We moeten een flexibelere strategie gebruiken om het complexe interfaceprobleem op te lossen", zei Cheng. "We kunnen niet slechts één soort molecuul gebruiken, zoals mensen eerder deden. We gebruiken twee moleculen om twee soorten recombinaties op te lossen, maar we zijn er zeker van dat er meer soorten defectgerelateerde recombinaties op het grensvlak zijn. We moeten proberen gebruik te maken van meer moleculen om samen te komen en ervoor te zorgen dat alle moleculen samenwerken zonder elkaars functies te vernietigen."
