Font: news.northwestern.edu
Les troballes, publicades avui (17 de novembre) a la revista Science, descriuen una solució de molècula dual per superar les pèrdues d'eficiència a mesura que la llum solar es converteix en energia. En incorporar primer, una molècula per abordar una cosa anomenada recombinació superficial, en la qual els electrons es perden quan queden atrapats per defectes: àtoms que falten a la superfície, i una segona molècula per interrompre la recombinació a la interfície entre les capes, l'equip va aconseguir un National Renewable. Energy Lab (NREL) va certificar una eficiència del 25,1% on els enfocaments anteriors van assolir una eficiència de només el 24,09%.
"La tecnologia solar de perovskita s'està movent ràpidament i l'èmfasi de la investigació i el desenvolupament està passant de l'absorbidor a granel a les interfícies", va dir el professor del nord-oest Ted Sargent. "Aquest és el punt crític per millorar encara més l'eficiència i l'estabilitat i apropar-nos a aquesta prometedora ruta cap a una recol·lecció solar cada cop més eficient".
Sargent és el codirector executiu de l'Institut Paula M. Trienens per a la Sostenibilitat i l'Energia (abans ISEN) i un investigador multidisciplinari en química de materials i sistemes energètics, amb càrrecs al departament de química del Weinberg College of Arts and Sciences i el Departament d'enginyeria elèctrica i informàtica de la McCormick School of Engineering.
Les cèl·lules solars convencionals estan fetes d'hòsties de silici d'alta puresa que consumeixen energia i només poden absorbir un rang fix de l'espectre solar.
Materials de perovskita la mida i la composició dels quals es poden ajustar per "sintonitzar" les longituds d'ona de la llum que absorbeixen, convertint-los en una tecnologia emergent en tàndem favorable i potencialment de menor cost i d'alta eficiència.
Històricament, les cèl·lules solars de perovskita han patit reptes per millorar l'eficiència a causa de la seva relativa inestabilitat. Durant els últims anys, els avenços del laboratori de Sargent i d'altres han fet que l'eficiència de les cèl·lules solars de perovskita estigui dins del mateix rang que el que es pot aconseguir amb el silici.
En la present investigació, en lloc d'intentar ajudar la cèl·lula a absorbir més llum solar, l'equip es va centrar en la qüestió de mantenir i retenir els electrons generats per augmentar l'eficiència. Quan la capa de perovskita entra en contacte amb la capa de transport d'electrons de la cèl·lula, els electrons es mouen d'un a l'altre. Però l'electró pot tornar cap a fora i omplir-se, o "recombinar-se" amb forats que existeixen a la capa de perovskita.
"La recombinació a la interfície és complexa", va dir el primer autor Cheng Liu, estudiant postdoctoral al laboratori Sargent, que està co-supervisat pel professor de química Charles E. i Emma H. Morrison Mercouri Kanatzidis. "És molt difícil utilitzar un tipus de molècula per abordar la recombinació complexa i retenir electrons, així que vam considerar quina combinació de molècules podríem utilitzar per resoldre el problema de manera més exhaustiva".
Investigacions anteriors de l'equip de Sargent han trobat proves que una molècula, PDAI2, fa un bon treball per resoldre la recombinació de la interfície. A continuació, havien de trobar una molècula que funcionés per reparar els defectes de la superfície i evitar que els electrons es recombinés amb ells.
En trobar el mecanisme que permetria que PDAI2 funcionés amb una molècula secundària, l'equip es va reduir al sofre, que podria substituir els grups de carboni, normalment pobres a l'hora d'evitar que es moguin els electrons, per cobrir els àtoms que falten i suprimir la recombinació.
"Per abordar les ineficiències bàsiques que es troben a les cèl·lules solars de perovskita invertida, que es deuen principalment a pèrdues de recombinació no radiativa, s'està establint un nou estàndard en l'eficiència de les cèl·lules solars", va dir el professor del nord-oest Mercouri Kanatzidis. "Aquesta és una il·lustració principal de com el camp de la química de materials avançats pot millorar significativament l'eficiència de conversió d'energia i la longevitat de les tecnologies fotovoltaiques perovskites emergents".
Kanatzidis és una autoritat líder en el camp de la química dels materials i les solucions energètiques sostenibles, amb dues cites al departament de química de Weinberg i al departament de ciència i enginyeria dels materials de McCormick.
"Estem entusiasmats que la nostra estratègia bimolecular mostri aplicabilitat a una sèrie de composicions de perovskites, incloses les que són prometedores per a cèl·lules solars en tàndem", va dir Bin Chen, professor ajudant d'investigació de química i coautor del document.
Un article recent del mateix grup publicat a Nature va desenvolupar un recobriment per al substrat sota la capa de perovskita per ajudar la cèl·lula a treballar a una temperatura més alta durant un període més llarg. Aquesta solució, segons Liu, pot funcionar conjuntament amb les troballes del document Science.
Tot i que l'equip espera que les seves troballes encoratjaran la comunitat científica més gran a continuar avançant el treball, ells també treballaran en el seguiment.
"Hem d'utilitzar una estratègia més flexible per resoldre el complex problema de la interfície", va dir Cheng. "No només podem utilitzar un tipus de molècula, com feia la gent anteriorment. Utilitzem dues molècules per resoldre dos tipus de recombinació, però estem segurs que hi ha més tipus de recombinació relacionada amb defectes a la interfície. Hem d'intentar utilitzar-les. més molècules per unir-se i assegurar-se que totes les molècules funcionin juntes sense destruir les funcions de les altres".
