Perovskiittikennojen kääntelyä

King Abdullahin tiede- ja teknologiayliopiston (KAUST) tutkijaryhmä on tehnyt perovskiittikennoonsa puolijohdeheteroliitoksen kerrostamalla valoherkän 3D-perovskiitin, joka muuttaa valon sähköksi luomalla varauksenkuljettajapareja kahden 2D-perovskiittikerrosen välillä. Sitten elektronit ja aukot erottuvat, jolloin elektronit siirtyvät kohti n-tyypin 2D-perovskiittikerroksia ja aukot kohti p-tyypin kerroksia, jolloin syntyy sähkövirtaa.

Koska 2D-perovskiitit kestävät paremmin lämpöä ja kosteutta kuin 3D-perovskiitit, kerroksen kasvattaminen toisen kalvon päälle tuottaa heteroliitoksen, joka voi estää liikkuvia ioneja ja kosteutta. Kun 2D-kerrokset muodostivat olennaisesti passivoivan "päällyskerroksen" 3D-kalvolle, KAUST-tiimin aurinkokennon tehomuunnos oli 24,7 % ja avoimen piirin jännite noin 1,20 eV.

Tutkijoiden kehittämä rakenne säilyttää 95 % alkuperäisestä tehokkuudestaan kestettyään 1000 tuntia 85°C:n lämpötilassa ja 85 %:n suhteellisessa kosteudessa, mikä täyttää siten aurinkosähkömoduulien kriittisen teollisuuden vakausstandardin.

Toronton yliopiston tutkijaryhmä on puolestaan hyödyntänyt kvanttimekaniikkaa optimoidakseen aktiivisen kerroksen laitteessa, joka tunnetaan nimellä käänteinen perovskiitti-aurinkokenno.

Järjestelyn kääntäminen mahdollistaa vaihtoehtoisten valmistustekniikoiden käytön ja aiemmat tutkimukset ovat osoittaneet, että ne voivat parantaa perovskiittikerroksen vakautta mutta muutos maksaa suorituskykyä.

Eräs vakausongelman ratkaisu on ollut passivointikerrokset mutta sellaisen rakenteen kääntäminen aiheuttaa ongelmia elektronien kululle. Toronton tutkijat ovat tarkastelleet näiden ongelmien voittamista hyödyntämällä kvanttimekaniikkaa.

Tutkijoiden protokennoissa perovskiitit rajoittuvat erittäin ohueen kerrokseen ja se antaa mahdollisuuden päästä käsiksi kvanttimekaniikkaan liittyviin ominaisuuksiin. Näin voidaan ohjata esimerkiksi sitä, mitä valon aallonpituuksia perovskiitit absorboivat tai kuinka elektronit liikkuvat kerroksen sisällä.

Ryhmä käytti ensin aiemmin kehitettyä kemiallista tekniikkaa tuottaakseen kaksiulotteisen perovskiitin pinnan aurinkokennon päälle. Tämä mahdollisti perovskiittikerroksen passivoitumisen yksinään, mikä eliminoi orgaanisen lisäkerroksen tarpeen.

Elektroneja estävän vaikutuksen voittamiseksi ryhmä lisäsi perovskiittikerroksen paksuutta yhden kiteen korkeudesta kolmeen. Tietokonesimulaatiot olivat osoittaneet, että tämä muutos muuttaisi energiamaisemaa riittävästi, jotta elektronit pääsevät pakenemaan ulkoiseen piiriin, mikä ennuste vahvistettiin laboratoriossa.

Ryhmän käänteisen kapseloimattoman kennon tehon muunnoshyötysuhteeksi mitattiin 23,9 prosenttia, mikä ei heikentynyt 1000 tunnin käytön jälkeen huoneenlämmössä. Jopa alan standardin mukaisessa nopeutetussa vanhentamisprosessissa jopa 65 C:n lämpötiloissa suorituskyky heikkeni vain kahdeksan prosenttia yli 500 käyttötunnin jälkeen.

Aiheesta aiemmin:

Molekyylivika perovskiittikennossa

Vakaita ja tehokkaita perovskiitti aurinkokennoja