PROVIDENCE, RI [Brown University] - Een onderzoeksteam van de Brown University heeft een belangrijke stap gezet in de richting van het verbeteren van de langetermijnbetrouwbaarheid van perovskiet-zonnecellen, een opkomende technologie voor schone energie. In een studie die op vrijdag 7 mei in het tijdschrift wordt gepubliceerd Wetenschap, demonstreert het team een ​​"moleculaire lijm" die ervoor zorgt dat een belangrijke interface in cellen niet verslechtert. De behandeling verhoogt de stabiliteit en betrouwbaarheid van cellen in de loop van de tijd drastisch, terwijl ook de efficiëntie waarmee ze zonlicht omzetten in elektriciteit wordt verbeterd.

"Er zijn grote vorderingen gemaakt bij het verhogen van de energieconversie-efficiëntie van perovskiet-zonnecellen", zegt Nitin Padture, een professor in engineering aan de Brown University en senior auteur van het nieuwe onderzoek. “Maar de laatste hindernis die moet worden genomen voordat de technologie algemeen beschikbaar kan zijn, is betrouwbaarheid: het maken van cellen die hun prestaties in de loop van de tijd behouden. Dat is een van de dingen waar mijn onderzoeksgroep aan heeft gewerkt, en we zijn verheugd belangrijke vorderingen te kunnen melden.”

Perovskieten zijn een klasse materialen met een bepaalde kristallijne atomaire structuur. Iets meer dan tien jaar geleden toonden onderzoekers aan dat perovskieten erg goed zijn in het absorberen van licht, wat leidde tot een stortvloed aan nieuw onderzoek naar perovskiet-zonnecellen. De efficiëntie van die cellen is snel toegenomen en wedijvert nu met die van traditionele siliciumcellen. Het verschil is dat perovskiet-lichtabsorbers kunnen worden gemaakt bij bijna kamertemperatuur, terwijl silicium moet worden gekweekt uit een smelt bij een temperatuur van bijna 2,700 graden Fahrenheit. Perovskietfilms zijn ook ongeveer 400 keer dunner dan siliciumwafels. Het relatieve gemak van de fabricageprocessen en het gebruik van minder materiaal betekent dat perovskietcellen potentieel kunnen worden gemaakt tegen een fractie van de kosten van siliciumcellen.

Hoewel de efficiëntieverbeteringen in perovskieten opmerkelijk zijn, zegt Padture, blijft het een uitdaging om de cellen stabieler en betrouwbaarder te maken. Een deel van het probleem heeft te maken met de gelaagdheid die nodig is om een ​​functionerende cel te maken. Elke cel bevat vijf of meer verschillende lagen, die elk een andere functie vervullen in het elektriciteitsopwekkingsproces. Omdat deze lagen van verschillende materialen zijn gemaakt, reageren ze anders op externe krachten. Ook kunnen temperatuurveranderingen die optreden tijdens het fabricageproces en tijdens onderhoud ertoe leiden dat sommige lagen meer uitzetten of inkrimpen dan andere. Dat veroorzaakt mechanische spanningen op de laaginterfaces die ervoor kunnen zorgen dat de lagen ontkoppelen. Als de interfaces worden gecompromitteerd, dalen de prestaties van de cel.

De zwakste van die interfaces is die tussen de perovskietfilm die wordt gebruikt om licht te absorberen en de elektronentransportlaag, die de stroom door de cel laat stromen.

"Een ketting is zo sterk als zijn zwakste schakel, en we hebben deze interface geïdentificeerd als het zwakste deel van de hele stapel, waar falen het meest waarschijnlijk is", zegt Padture, die het Institute for Molecular and Nanoscale Innovation bij Brown leidt. “Als we dat kunnen versterken, kunnen we beginnen met echte verbeteringen in de betrouwbaarheid.”

Om dat te doen, putte Padture uit zijn ervaring als materiaalwetenschapper en ontwikkelde hij geavanceerde keramische coatings die worden gebruikt in vliegtuigmotoren en andere hoogwaardige toepassingen. Hij en zijn collega's begonnen te experimenteren met samenstellingen die bekend staan ​​als zelf-geassembleerde monolagen of SAM's.

"Dit is een grote klasse verbindingen," zei Padture. “Als je die op een oppervlak deponeert, verzamelen de moleculen zich in een enkele laag en gaan als korte haartjes rechtop staan. Door de juiste formulering te gebruiken, kun je sterke verbindingen vormen tussen deze verbindingen en allerlei verschillende oppervlakken.”

Padture en zijn team ontdekten dat een formulering van SAM met aan de ene kant een siliciumatoom en aan de andere kant een jodiumatoom, sterke bindingen zou kunnen vormen met zowel de verkiezingstransportlaag (die meestal is gemaakt van tinoxide) als de lichtabsorberende perovskietlaag. . Het team hoopte dat de bindingen die door deze moleculen worden gevormd, de laaginterface zouden kunnen versterken. En ze hadden gelijk.

"Toen we de SAM's in de interface introduceerden, ontdekten we dat het de breuktaaiheid van de interface met ongeveer 50% verhoogt, wat betekent dat eventuele scheuren die zich op de interface vormen, zich niet erg ver verspreiden", zei Padture. "Dus in feite worden de SAM's een soort moleculaire lijm die de twee lagen bij elkaar houdt."

Testen van de zonnecelfunctie toonden aan dat de SAM's de functionele levensduur van de perovskietcellen drastisch verlengden. Niet-SAM-cellen die voor het onderzoek waren voorbereid, behielden 80% van hun aanvankelijke efficiëntie gedurende ongeveer 700 uur laboratoriumtesten. Ondertussen deden de SAM-cellen het nog steeds goed na 1,330 uur testen. Op basis van deze experimenten schatten de onderzoekers de levensduur van 80% behouden efficiëntie op ongeveer 4,000 uur.

"Een van de andere dingen die we deden, wat mensen normaal niet doen, is dat we de cellen openbraken na het testen", zegt Zhenghong Dai, een Brown-promovendus en eerste auteur van het onderzoek. “In de controlecellen zonder de SAM's zagen we allerlei beschadigingen zoals holtes en scheuren. Maar met de SAM's zagen de geharde interfaces er echt goed uit. Het was een dramatische verbetering die ons echt schokte.”

Belangrijk is, zei Padture, dat de verbetering van de taaiheid niet ten koste ging van de efficiëntie van de stroomomzetting. In feite verbeterden de SAM's de efficiëntie van de cel zelfs met een kleine hoeveelheid. Dat gebeurde omdat de SAM's kleine moleculaire defecten elimineerden die ontstaan ​​wanneer de twee lagen zich hechten in afwezigheid van SAM's.

"De eerste regel bij het verbeteren van de mechanische integriteit van functionele apparaten is 'doe geen kwaad'," zei Padture. "Zodat we de betrouwbaarheid konden verbeteren zonder aan efficiëntie in te boeten - en zelfs de efficiëntie te verbeteren - was een leuke verrassing."

De SAM's zelf zijn gemaakt van direct verkrijgbare verbindingen en kunnen eenvoudig worden aangebracht met een dompelcoatingproces bij kamertemperatuur. Dus de toevoeging van SAM's zou mogelijk weinig toevoegen aan de productiekosten, zei Padture.

De onderzoekers zijn van plan om voort te bouwen op dit succes. Nu ze de zwakste schakel in de stapel perovskiet-zonnecellen hebben versterkt, willen ze naar de volgende zwakste gaan, dan naar de volgende, enzovoort, totdat ze de hele stapel hebben versterkt. Dat werk omvat het versterken van niet alleen de interfaces, maar ook de materiële lagen zelf. Onlangs won de onderzoeksgroep van Padture een subsidie ​​van 1.5 miljoen dollar van het Amerikaanse ministerie van Energie om hun onderzoek uit te breiden.

"Dit is het soort onderzoek dat nodig is om cellen te maken die goedkoop en efficiënt zijn en tientallen jaren goed presteren", zei Padture.

###

Srinivas K. Yadavalli, Min Chen, Ali Abbaspourtamijani en Yue Qi waren co-auteurs van het onderzoek, dat werd gefinancierd door het Office of Naval Research (N00014-17-1-2232 en N00014-20-1-2574) en de National Stichting Wetenschap (1538893 en 2002158).

Coinsmart. Beste Bitcoin-beurs in Europa
Bron: https://bioengineer.org/molecular-glue-makes-perovskite-solar-cells-dramatic-more-reliable-over-time/