Quanteninnovation bringt kostengünstige alternative Solartechnologie voran

Ein Forscherteam der Fakultät für Angewandte Wissenschaften und Ingenieurwissenschaften der Universität Toronto hat die Quantenmechanik genutzt, um die aktive Schicht in einem Gerät zu optimieren, das als invertierte Perowskit-Solarzelle bekannt ist – eine Technologie, die eines Tages zu Solarzellen für den Massenmarkt führen könnte, die a Bruchteil der derzeit auf dem Markt befindlichen.

Derzeit werden praktisch alle kommerziellen Solarzellen aus hochreinem Silizium hergestellt, dessen Herstellung einen erheblichen Energieaufwand erfordert. Aber Forscher auf der ganzen Welt experimentieren mit alternativen Solartechnologien, die mit weniger Energie und zu niedrigeren Kosten hergestellt und installiert werden könnten.

Eine dieser Alternativen, die im Labor der Sargent Group untersucht wird, ist als Perowskit bekannt. Die Kraft von Perowskit-Materialien beruht auf ihrer einzigartigen Kristallstruktur, die es ihnen ermöglicht, Licht in einer sehr dünnen Schicht zu absorbieren und effizient in Strom umzuwandeln.

„Perowskit-Kristalle werden aus einer flüssigen Tinte hergestellt und mit einer in der Industrie bereits gut etablierten Technologie wie dem Rollendruck auf Oberflächen aufgetragen“, sagt Hao Chen, Postdoktorand in Sargents Labor und einer von vier Co -Hauptautoren eines neuen Artikels, der in veröffentlicht wurde Naturphotonik.

„Aus diesem Grund haben Perowskit-Solarzellen das Potenzial, in Massenproduktion zu viel geringeren Energiekosten als Silizium hergestellt zu werden. Die Herausforderung besteht darin, dass Perowskit-Solarzellen derzeit in der Stabilität traditionellen Siliziumzellen hinterherhinken. In dieser Studie wollten wir diese Lücke schließen. “

Chen, zusammen mit seinen Co-Hauptautoren – Ph.D. Kandidat Sam Teale und die Postdoktoranden Bin Chen und Yi Hou – verwenden eine Strategie, die auf einer invertierten Solarzellenstruktur basiert.

In den meisten Prototyp-Perowskit-Solarzellen treten Elektronen durch eine negative Elektrode an der unteren Schicht der Zelle aus, wobei die „Löcher“, die sie hinterlassen, durch eine positive Elektrode an der Oberseite austreten.

Die Umkehrung dieser Anordnung ermöglicht die Verwendung alternativer Herstellungstechniken, und frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass diese die Stabilität der Perowskitschicht verbessern können. Aber die Änderung geht zu Lasten der Leistung.

„Es ist schwierig, einen guten Kontakt zwischen der Perowskitschicht und der oberen Elektrode herzustellen“, sagt Chen. „Um dies zu lösen, fügen die Forscher normalerweise eine Passivierungsschicht aus organischen Molekülen ein. Das funktioniert in der traditionellen Ausrichtung sehr gut, weil ‚Löcher‘ direkt durch diese Passivierungsschicht gehen können. Aber Elektronen werden durch diese Schicht blockiert, also wenn man sie umkehrt Zelle wird es zu einem großen Problem.“

Das Team überwand diese Einschränkung, indem es sich die Quantenmechanik zunutze machte – das physikalische Prinzip, das das Verhalten von Materialien auf sehr kleinen Längenskalen angibt, unterscheidet sich von dem, was bei größeren beobachtet wird.

„In unseren Prototyp-Solarzellen sind die Perowskite auf eine extrem dünne Schicht beschränkt – nur ein bis drei Kristalle hoch“, sagt Teale. „Diese zweidimensionale Form ermöglicht uns den Zugang zu Eigenschaften, die mit der Quantenmechanik verbunden sind. Wir können beispielsweise steuern, welche Wellenlängen des Lichts die Perowskite absorbieren oder wie sich Elektronen innerhalb der Schicht bewegen.“

Das Team verwendete zunächst eine von anderen Gruppen etablierte chemische Technik, um eine zweidimensionale Perowskit-Oberfläche auf ihrer Solarzelle herzustellen. Dadurch konnte die Perowskitschicht selbst eine Passivierung erreichen, wodurch die Notwendigkeit für die organische Schicht vollständig eliminiert wurde.

Um den Elektronensperreffekt zu überwinden, erhöhte das Team die Dicke der Perowskitschicht von einem auf drei Kristalle. Computersimulationen hatten gezeigt, dass diese Änderung die Energielandschaft ausreichend verändern würde, damit Elektronen in einen externen Stromkreis entweichen können, eine Vorhersage, die im Labor bestätigt wurde.

Die Leistungsumwandlungseffizienz der Zellen des Teams wurde mit 23,9 Prozent gemessen, ein Wert, der nach 1.000 Betriebsstunden bei Raumtemperatur nicht nachließ. Selbst bei einem industrieüblichen beschleunigten Alterungsprozess bei Temperaturen bis zu 65 C verringerte sich die Leistung nach mehr als 500 Betriebsstunden nur um acht Prozent.

Zukünftige Arbeiten werden sich darauf konzentrieren, die Stabilität der Zellen auch bei noch höheren Temperaturen weiter zu erhöhen. Das Team möchte auch Zellen mit größerer Oberfläche bauen, da die aktuellen Zellen nur etwa fünf Quadratmillimeter groß sind.

Dennoch verheißen die aktuellen Ergebnisse Gutes für die Zukunft dieser alternativen Solartechnologie.

„In unserer Arbeit vergleichen wir unsere Prototypen sowohl mit herkömmlichen als auch mit invertierten Perowskit-Solarzellen, die kürzlich in der wissenschaftlichen Literatur veröffentlicht wurden“, sagt Teale.

„Die Kombination aus hoher Stabilität und hoher Effizienz, die wir erreicht haben, ist wirklich herausragend. Wir sollten auch bedenken, dass die Perowskit-Technologie erst ein paar Jahrzehnte alt ist, während an Silizium seit 70 Jahren gearbeitet wird. Es gibt noch viele Verbesserungen Kommen Sie.“