211service.com
Kontrollerede krystaller gør et nyt solmateriale praktisk
En ny måde at kontrollere væksten af krystallinske materialer kaldet perovskites kan føre til kommercielle solceller, der rammer et sødt punkt med høj ydeevne og lave omkostninger. Selvom individuelle perovskitceller har opnået lovende resultater i laboratoriet, har det indtil nu ikke været klart, hvordan de kunne laves i ensartede partier.
Visse perovskitter kan høste energien fra sollys meget effektivt, fordi de kraftigt absorberer både synligt og infrarødt lys. Og i modsætning til siliciumfilm, som fremstilles ved høje temperaturer, kan perovskitfilm fremstilles af opløsning ved meget lavere temperaturer. Det burde være muligt at lave perovskit-solceller ved hjælp af billige, lavenergi-metoder såsom print.
De første perovskitceller blev lavet i 2009, men de bedst kan allerede konvertere 17,9 procent af energien i sollys til elektricitet. Det begynder at være konkurrencedygtigt med kommercielle tyndfilmsceller som cadmiumtellurid og silicium, siger Timothy Kelly , en kemiker ved University of Saskatchewan i Saskatoon, Canada.
Det har dog vist sig svært at lave perovskitsolceller af høj kvalitet konsekvent. I de partier, der hidtil er lavet, er der stor variation i, hvor effektivt individuelle celler kan omdanne lys til elektricitet. Når du laver 10 forskellige perovskitceller, får du 10 forskellige effektiviteter, siger Prashant Kamat , en kemiker ved University of Notre Dame i Indiana. Det er frustrerende.
Problemet skyldes variation i størrelsen af krystallerne i forskellige celler. For elektroner i en solcelle er grænserne mellem krystaller som vægge, så større krystaller giver færre hindringer for strømmen af elektricitet. Ny forskning offentliggjort i dag i tidsskriftet Natur nanoteknologi kunne give en måde at løse dette problem på ved at vise, hvordan man kontrollerer væksten af perovskitkrystaller.
Perovskitten, der udvikles til solceller, har en ingrediensliste, der inkluderer et kulbrinte, ammoniak, bly og jod. Der er mange perovskitter - navnet henviser til krystalstrukturen af disse materialer - men netop denne er mest lovende til brug i solceller. Krystallerne er lavet i en to-trins proces, der begynder med at belægge en overflade med blyiodidopløsning og lade den tørre ud. Derefter belægges overfladen med en opløsning af methylammoniumiodid. Når det tørrer ud, kommer forbindelser fra de to lag sammen for at danne perovskitkrystaller.
Michael Grätzel , kemiker ved Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Schweiz, og Nam-Gyu Park , en kemiker ved Sungkyunkwan University i Korea, har nu udarbejdet en opskrift på at tage kontrol over den proces. De fandt ud af, at ved omhyggeligt at kontrollere koncentrationerne af startopløsningerne og andre behandlingsbetingelser, kunne de konsekvent lave perovskitfilm med de større krystaller, der er nødvendige for en effektiv solcelle.
De schweiziske og koreanske grupper brugte disse metoder til at lave perovskit-solceller med en gennemsnitlig effektivitet på 16,4 procent og meget lidt variation i effektivitet mellem forskellige celler.
Park siger, at nu hvor det er muligt at fremstille højkvalitets perovskite pålideligt, er det tid til at håndtere andre problemer med materialet. Den ene er, at fugt får materialerne til at nedbrydes og lække methylammonium. Park siger, at forskere enten skal finde en måde at forsegle perovskit-solceller mod fugt eller finde nye versioner af materialerne. Et andet problem er, at materialerne er lavet af bly, som er giftigt.
Efter at have lært af disse materialer, bør vi flytte til andre, fordi bly ikke er miljøvenligt, og dette materiale er ikke stabilt, siger Mercouri Kanatzidis , kemiker ved Northwestern University i Illinois. Han og Northwestern materialeforsker Robert Chang har udviklet en blyfri perovskit, der erstatter tin. Den omdanner i øjeblikket kun lys til elektrisk strøm med en virkningsgrad på 6 procent. Men de er begge optimistiske og peger på, hvordan de blybaserede materialer forbedredes hurtigt fra omkring 3 procent i 2009 til omkring 18 procent i dag.
I mellemtiden mener Grätzel, at de eksisterende materialer endnu ikke har nået deres øvre ydeevnegrænser. Jeg tror, at 20 procent effektivitet burde være mulig på kort sigt, siger han.