Forskare vid Berkeley Lab i USA har gjort en upptäckt som dramatiskt kan komma att förbättra effektiviteten hos perovskitsolceller. Resultaten visar att teoretiskt skulle det gå att öka omvandlingseffektiviteten hos materialet från dagens 22 procent till upp emot 31 procent.
AFM-bilden visar individuella korn markerade med svart. Lågpresterande facetter är röda och högpresterande facetter är gröna.
Solceller tillverkade av föreningar som har en kristallstruktur likt en mineralperovskit har fångat forskarnas fantasi. Likt organiska solceller är de är billiga och lätta att tillverka men ännu mer spännande är att den effektivitet som perovskitsolceller omvandlar fotoner till elektricitet har ökat snabbare än något annat material hittills, med en början vid tre procent under 2009 – när forskare började utforska materialets solcellskapacitet – till 22 procent i dag.
Nu, enligt uppgifter på nätet 4 juli i tidskriften Nature Energy, har ett team av forskare från Molecular Foundry och det gemensamma centret för artificiell fotosyntes – båda vid Berkeley Lab – funnit en överraskande egenskap hos en perovskitsolcell som skulle kunna användas för att åstadkomma en ännu högre effektivitet i att omvandla solljus till elektricitet, möjligen upp till 31 procent.
Forskarna använde något som de kallar ”fotokonduktiv” atomkraftsmikroskopi (AFM). Forskarna kartlade två egenskaper hos det aktiva lagret på solcellen som rör dess solcellseffektivitet. Kartläggningen uppvisade en ojämn yta bestående av korn med en längd på cirka 200 nanometer och att varje korn hade fler vinklade fasetter, likt en ädelsten.
Oväntat upptäckte forskarna en stor skillnad i omvandlingens energieffektivitet mellan fasetter på individuella korn. De fann facetter med dåliga egenskaper liggande intill högeffektiva facetter, som i vissa fall närmade sig materialets teoretiska energiomvandlingsgräns på 31 procent. Forskarna menar att dessa högpresterande facetter kan vara hemligheten till att skapa högeffektiva solceller, även om mer forskning behövs.
– Om materialet kan syntetiseras så att endast mycket effektiva facetter utvecklas, då skulle vi se en stor förbättring i effektiviteten hos perovskitsolceller, eventuellt närmare 31 procent, säger Sibel Leblebici, postdoktor vid Molecular Foundry.
Forskningen började när Sibel Leblebici, som arbetar vid the lab of Alexander Weber-Bargioni, letade efter ett nytt projekt.
– Jag tror att perovskiter är det mest spännande som sker inom solområdet just nu, och ville verkligen se hur de fungerar i nanoskalan, något som inte har studerats i så stor utsträckning, säger hon.
Och materialet kunde hon finna på nära håll. Under de senaste två åren har forskare på det närliggande gemensamma Center for Artificial Photosynthesis gjort tunnfilmer av perovskit-baserade föreningar och studerat deras förmåga att omvandla solljus och CO2 till användbara kemikalier som bränsle. De skapade även pervoskitsolceller bestående av metylammoniumblyjodid. De analyserade också cellernas prestanda på makroskala.
Forskarna tillverkade även en andra uppsättning av halvceller som inte hade ett elektrodskikt. De packade åtta av dessa celler på en tunnfilm som mätte en kvadratcentimeter. Dessa filmer analyserades på the Molecular Foundry, där forskare kartlagde cellernas topografi på ytan med en upplösning på tio nanometer. De kartlade också två egenskaper som relaterar till cellernas fotovoltaiska effektivitet: fotoströmgenerering och tomgångsspänning.
Detta genomfördes med en state-of-the-art atomkraftsmikroskopiteknik utvecklad i samarbete med Park Systems som utnyttjar en ledande spets för att skanna materialets yta. Enligt forskarna eliminerar metoden också friktionen mellan spetsen och provet. Detta är viktigt eftersom materialet är så grovt och mjukt att friktionen kan skada spetsen och provet och orsaka artefakter i fotoströmmen.
En överraskning upptäckt som kan leda till bättre solceller
De resulterande ”kartorna” visar en skillnad med 1 storleksordning avseende generering av fotoströmmen och en 0,6 volts skillnad i tomgångsspänningen mellan fasetter på samma korn. Dessutom hade facetter med hög fotoströmsgenerering en hög tomgångsspänning och facetter med låg fotoströmsgenerering en låg tomgångsspänning.
– Detta var en stor överraskning. Det visade sig, för första gången, att perovskitsolceller har ett facettberoende på solcellernas effektivitet, säger Alexander Weber-Bargioni, som deltagit i arbetet.
– Dessa resultat öppnar dörren till att utforska nya sätt att styra utvecklingen av materialets facetter och dramatiskt öka effektiviteten, säger Francesca Toma vid Berkeley Lab.
I praktiken beter sig fasetterna som miljarder små solceller som alla är anslutna parallellt och vissa celler fungerar mycket bra och andra mycket dåligt. I detta scenario flyter strömmen mot de dåliga cellerna, vilket sänker den totala prestandan hos materialet. Men om materialet kan optimeras så att endast effektiva fasetter har gränssnitt mot elektroden kan de förluster som de dåliga facetterna orsakar elimineras.
– Detta innebär att materialet i makroskala skulle kunna närma sig den teoretiska energiomvandlingsgränsen på 31 procent, säger Ian Sharp vid Berkeley Lab.
En teoretisk modell som beskriver de experimentella resultaten förutsäger att fasetter också bör kunna inverka på emissionen av ljus när de används som en lysdiod.
