En framväxande klass av solenergiteknologi gjord med perovskithalvledare har passerat en länge eftersökt milstolpe i sin 30-åriga livslängd. Princeton Engineering-forskarna som utvecklade den nya enheten upptäckte också ett nytt sätt att testa långsiktig prestanda, ett stort hinder på vägen mot kommersialisering. Kredit: Foton av Bumper DeJesus
30 år av perovskitsolceller och en ny teknik för att testa dem på långa avstånd.
Princeton Engineering-forskare har utvecklat den första kommersiellt gångbara perovskitsolcellen, vilket markerar en viktig milstolpe för den framväxande klassen av förnybar energiteknik. Forskargruppen förutspår att deras enhet kommer att kunna överträffa industristandarder i cirka 30 år, mer än de 20 år som används som livslängdsgräns för solceller.
Enheten är inte bara mycket hållbar utan uppfyller också allmänna effektivitetsstandarder. Faktum är att det är det första i sitt slag som konkurrerar med prestanda hos kiselbaserade celler som har dominerat marknaden sedan de introducerades 1954.
Perovskiter är halvledare med en speciell kristallstruktur som gör dem väl lämpade för solcellsteknik. De kan tillverkas i rumstemperatur med mycket mindre energi än kisel, vilket gör dem billigare och mer hållbara att tillverka. Även om kisel är hårt och ogenomskinligt, kan perovskiter göras flexibla och transparenta, vilket ger solenergi långt bortom de ikoniska rektangulära panelerna som fyller sluttningar och hustak över hela Amerika.
Under en snabb åldrings- och testprocess som utvecklats av Princeton Engineering-forskare, sitter en mängd perovskit-solcellsdesigner under starkt ljus vid höga temperaturer. Den nya testmetoden är ett stort steg mot kommersialiseringen av avancerade solceller. Kredit: Foto av Bumper DeJesus
Men till skillnad från kisel är perovskiter väldigt spröda. Tidiga perovskitsolceller (PSC), skapade mellan 2009 och 2012, varade bara några minuter. Den beräknade livslängden för den nya enheten är en femfaldig ökning jämfört med det tidigare rekordet som sattes av PSC med lägre effektivitet 2017. (Denna enheten fungerade i ett år under kontinuerlig belysning vid rumstemperatur. Den nya enheten kommer att fungera i fem år under liknande laboratorieförhållanden.)
Princeton-teamet, ledd av Lynn Loo, Theodora D. ’78 och William H. Walton III ’74 professor i teknik, beskrev sina nya enheter och nya metoder för att testa sådana enheter i en artikel publicerad den 16 juni 2022. Journal Vetenskap.
Loo sa att skivdesignen lyfter fram den hållbara potentialen hos PSC:er, särskilt som ett sätt att driva solcellsteknik bortom gränserna för kisel. Men han pekade också på sitt teams nya accelererade åldrandeteknik som den djupare betydelsen av arbetet.
En titt på en mycket stabil perovskitsolcell som odlats under en accelererad åldringsprocess som hjälper forskare att förutsäga den långa livslängden för avancerade konstruktioner. Kredit: Foto av Bumper DeJesus
“Vi kanske har ett rekord idag,” sa han, “men någon annan kommer in i morgon med ett bättre rekord. Det som är riktigt spännande är att vi nu har ett sätt att testa dessa enheter och veta hur de kommer att prestera på lång sikt.”
På grund av den välkända svagheten hos perovskiter, har långtidstester hittills inte varit något problem. Men eftersom enheterna blir bättre och håller längre, kommer testning av en design mot en annan att vara avgörande för utbyggnaden av hållbar, konsumentvänlig teknik.
“Denna uppsats kommer sannolikt att vara en prototyp för alla som vill analysera prestanda i skärningspunkten mellan effektivitet och stabilitet”, säger Joseph Berry, en senior fellow vid National Renewable Energy Laboratory som specialiserat sig på solcellers fysik och inte har någon sådan bakgrund. . deltar i denna studie. ”Genom att bygga en prototyp för att studera stabilitet och visa vad som kan extrapoleras [through accelerated testing], gör vad alla vill innan vi börjar testa i stor skala. Det låter dig projicera på ett riktigt imponerande sätt.”
Medan effektiviteten har accelererat avsevärt under det senaste decenniet, har hållbarheten hos dessa enheter förbättrats långsammare, sa Berry. Tester måste vidareutvecklas för att göra dem allmänt tillgängliga och distribueras av industrin. Det är härifrån Loos accelererade åldringsprocess kommer.
“Den här typen av tester kommer att bli allt viktigare,” sa Loo. “Du kan göra de mest effektiva solcellerna, men det spelar ingen roll om de inte är stabila.”
Hur kom de hit?
I början av 2020 arbetade Loos team på olika enhetsarkitekturer som skulle ge relativt stark effektivitet – konvertera tillräckligt med solljus till elektricitet för att göra det värt besväret – och överleva anfallet av värme, ljus och fuktighet som bombarderar en solcell under hela dess liv.
Xiaoming Zhao, en postdoktor i Loos labb, arbetade med kollegor på en serie design. Ansträngningar skiktade olika material för att optimera ljusabsorptionen samtidigt som de skyddade de mest ömtåliga områdena från exponering. De skapade ett ultratunt täckskikt mellan två viktiga komponenter: ett absorberande perovskitskikt och ett laddningsbärande skikt av kopparsalt och andra material. Målet var att hålla perovskite-halvledaren, normen vid den tiden, från att brinna ut i veckor eller månader.
Det är svårt att förstå hur tunt detta beläggningsskikt är. Forskare använder termen 2D för att beskriva det, vilket betyder två dimensioner, som i något utan tjocklek. Faktum är att det bara är några få atomer tjockt – mer än en miljon gånger mindre än det minsta det mänskliga ögat kan se. Även om idén med 2D-beläggningsskikt inte är ny, anses det fortfarande vara en lovande, framväxande teknik. Forskare vid NREL har visat att 2D-lager avsevärt kan förbättra långdistansprestanda, men ingen har utvecklat en enhet som driver perovskiter någonstans nära den kommersiella gränsen på 20-åriga livslängder.
Zhao och hans kollegor gick igenom många varianter av dessa mönster, ändrade små detaljer i geometrin, varierade antalet lager och testade dussintals materialkombinationer. Varje design gick in i en ljuslåda, där de kunde lysa känsliga enheter i ett obönhörligt starkt ljus och mäta deras prestandaförsämring över tiden.
Den hösten, när den första vågen av pandemin avtog och forskare återvände till sina labb för att utföra sina experiment i noggrant samordnade skift, märkte Zhao något konstigt i uppgifterna. En uppsättning enheter fungerade fortfarande nära sin maximala effektivitet.
“Efter ungefär ett halvår var det i princip noll nedgång,” sa han.
Det var då han insåg att han behövde ett sätt att stresstesta snabbare än att träna i realtid.
“Vår önskade livslängd är cirka 30 år, men du kan inte ta 30 år att testa din enhet,” sa Zhao. “Så vi behöver ett sätt att förutsäga det här livet inom en rimlig tidsram. Det är därför detta accelererade åldrande är så viktigt.”
Den nya testmetoden påskyndar åldringsprocessen genom att spränga enheten med värme samt belysa den. Denna process accelererar vad som naturligt skulle inträffa under år av regelbunden exponering. Forskarna valde fyra åldringstemperaturer och mätte resultaten på dessa fyra olika dataströmmar, från bastemperaturen för en typisk sommardag till en extrem temperatur på 230 grader.[{”attribute=””>Fahrenheithögreänvattnetskokpunkt[{”attribute=””>Fahrenheithigherthantheboilingpointofwater
De extrapolerade sedan från de kombinerade data och förutspådde enhetens prestanda vid rumstemperatur under tiotusentals timmars kontinuerlig belysning. Resultaten visade en enhet som skulle prestera över 80 procent av sin maximala effektivitet under kontinuerlig belysning i minst fem år vid en medeltemperatur på 95 grader Fahrenheit. Med hjälp av standardkonverteringsmått, sa Loo att det motsvarar 30 års utomhusdrift i ett område som Princeton, NJ.
Berry of NREL instämde. “Det är väldigt trovärdigt,” sa han. “En del människor kommer fortfarande att vilja se det spelas ut. Men det här är mycket mer trovärdig vetenskap än många andra försök att prognostisera.”
Solcellernas Michael Jordan
Perovskite solceller var pionjärer 2006, med de första publicerade enheterna efter 2009. Några av de tidigaste enheterna varade bara några sekunder. Andra minuter. På 2010-talet växte enhetens livslängd till dagar och veckor och slutligen månader. Sedan 2017 publicerade en grupp från Schweiz ett banbrytande dokument om en PSC som varade i ett helt år av kontinuerlig belysning.
Samtidigt har effektiviteten hos dessa enheter skjutit i höjden under samma period. Medan den första PSC visade en effektkonverteringseffektivitet på mindre än 4 procent, ökade forskare den metriken nästan tiofaldigt på lika många år. Det var den snabbaste förbättring som forskare hade sett i någon klass av förnybar energiteknik hittills.
Så varför trycket på perovskites? Berry sa att en kombination av de senaste framstegen gör dem unikt önskvärda: nya hög effektivitet, en extraordinär “avstämningsförmåga” som gör det möjligt för forskare att göra mycket specifika applikationer, förmågan att tillverka dem lokalt med låg energitillförsel och nu en trovärdig prognos för förlängd livslängd kopplad till med en sofistikerad åldringsprocess för att testa ett brett utbud av mönster.
Loo sa att det inte är så att PSC:er kommer att ersätta kiselenheter så mycket att den nya tekniken kommer att komplettera den gamla, vilket gör solpaneler ännu billigare, effektivare och mer hållbara än de är nu, och expanderar solenergi till outsägliga nya områden av det moderna livet. Till exempel demonstrerade hennes grupp nyligen en helt transparent perovskitfilm (med olika kemi) som kan förvandla fönster till energiproducerande enheter utan att ändra deras utseende. Andra grupper har hittat sätt att skriva ut fotovoltaiskt bläck med perovskiter, vilket tillåter formfaktorer som forskare först nu drömmer om.
Men den största fördelen i det långa loppet, enligt både Berry och Loo: Perovskites kan tillverkas i rumstemperatur, medan kisel smides vid cirka 3000 grader Fahrenheit. Den energin måste komma någonstans ifrån, och för tillfället innebär det att man bränner mycket fossila bränslen.
Berry lade till detta: Eftersom forskare kan justera perovskitegenskaper enkelt och brett, tillåter de olika plattformar att fungera smidigt tillsammans. Det kan vara nyckeln i bröllopskisel med framväxande plattformar som tunnfilm och organiska solceller, som också har gjort stora framsteg de senaste åren.
“Det är ungefär som Michael Jordan på basketplanen,” sa han. “Bra i sig, men det gör också alla andra spelare bättre.”
Referens: “Accelererad åldring av helt oorganiska, gränssnittsstabiliserade perovskitsolceller” av Xiaoming Zhao, Tianran Liu, Quinn C. Burlingame, Tianjun Liu, Rudolph Holley, Guangming Cheng, Nan Yao, Feng Gao och Yueh-Lin Loo, 16 juni 2022, Vetenskap.DOI: 10.1126/science.abn5679
Uppsatsen “Accelerated aging of all-oorganic, interface-stabilized perovskite solar cells” publicerades med stöd från National Science Foundation; US Department of Energy, via Brookhaven National Laboratory; Statens strategiska forskningsområde i materialvetenskap om funktionella material; och Princeton Imaging and Analysis Center. Förutom Loo och Zhao, är bidragande författare Tianjun Liu och Feng Gao, båda från Linköpings universitet; och Tianran Liu, Quinn C. Burlingame, Rudolph Holley III, Guangming Cheng och Nan Yao, alla från
” data-gt-translate-attributes=”[{”attribute=””>PrincetonUniversity[{”attribute=””>PrincetonUniversity.
