Efficient and stable industrial-size perovskite/silicon tandems with long-span bisphosphonic self-assembled molecules
Deze studie introduceert een lang-spante bisfosfonische zelf-geassembleerde molecuul (S2) die uniforme, stabiele interface-dekking op industrieel geschaalde getextureerde silicium mogelijk maakt, wat resulteert in gecertificeerde 32,6% efficiënte en zeer duurzame perovskiet/silicium tandem zonnecellen en modules.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
Zonne-energie wordt al lang beperkt door een fundamentele plafond: een enkele laag materiaal kan slechts een specifiek deel van het zonlicht opvangen, waardoor de rest erdoorheen schijnt of wordt omgezet in verloren warmte. Om deze barrière te doorbreken, hebben wetenschappers zich gericht op het stapelen van twee verschillende lichtvangende lagen bovenop elkaar, waardoor een tandemcel ontstaat. De bovenste laag is ontworpen om hoogenergetisch licht op te vangen, terwijl de onderste laag, meestal gemaakt van silicium, het lager-energetische licht opvangt dat erdoorheen glipt. Wanneer deze twee samenwerken, kunnen ze theoretisch veel meer elektriciteit opwekken dan een standaard zonnepaneel. Het maken van deze gestapelde cellen op een grote, industriële schaal is echter moeilijk gebleken. De onderste siliciumlaag is niet vlak; deze is bedekt met minuscule, grillige piramides om licht beter te vangen. Hoewel deze textuur goed is voor het opvangen van zonlicht, creëert het een ruig landschap dat ongelooflijk moeilijk gelijkmatig te coaten is met de delicate chemische lagen die nodig zijn om de bovenste cel te laten functioneren. Als de coating ongelijkmatig is, faalt het apparaat, en blijft de belofte van hoge efficiëntie gevangen in het laboratorium.
Een team van onderzoekers heeft dit coatingprobleem nu opgelost door een nieuw type moleculaire laag te ontwerpen die perfect over het ruwe siliciumoppervlak kan draperen, wat leidt tot recordbrekende efficiëntie voor grote zonnepanelen. De kern van hun succes ligt in een op maat gemaakt molecuul dat fungeert als een zelfassemblerende brug tussen het silicium en de bovenste lichtvangende laag. Eerdere pogingen om deze bruggen te creëren gebruikten kleine moleculen die zich slechts op één punt aan het silicium konden hechten. Op de grillige pieken en randen van de industriële siliciumtextuur konden deze kleine moleculen niet oversteken naar de volgende plek, waardoor er gaten ontstonden en de film uiteenviel. Andere onderzoekers probeerden lange, ketenachtige moleculen te gebruiken om meer terrein te dekken, maar deze hadden de neiging om samen te klonteren in rommelige hopen in plaats van een gladde laag te vormen. Het nieuwe ontwerp, ontwikkeld door wetenschappers van de Peking University, Trina Solar en andere instellingen, combineert het beste van beide werelden. Ze creëerden een molecuul met een lange, flexibele ruggengraat die over de scherpe punten van de siliciumpiramides kan reiken, terwijl de uiteinden zijn uitgerust met twee sterke ankers in plaats van één.
De onderzoekers ontdekten dat dit specifieke ontwerp de moleculen in staat stelt om zich gelijkmatig te verspreiden, waardoor elk inch van het getextureerde oppervlak wordt bedekt zonder te klonteren of gaten achter te laten. Omdat de moleculen zo lang en flexibel zijn, kunnen ze buigen en de vorm van het silicium volgen, waarbij ze van de ene kant van een piramide naar de andere reiken. De twee ankers aan de uiteinden grijpen het oppervlak stevig vast, waardoor de laag op zijn plaats blijft, zelfs onder hitte en spanning. Deze uniforme dekking is cruciaal omdat het ervoor zorgt dat elektriciteit soepel van de bovenste laag naar de onderste laag kan stromen zonder vast te lopen of weg te lekken. Toen het team dit nieuwe molecuul in een laboratoriumsetting testte op een klein stukje silicium, zette de resulterende zonnecel 34,3% van het zonlicht dat erop viel om in elektriciteit. Dit is een aanzienlijke sprong ten opzien van eerdere records voor dit type kleine cel.
Nog belangrijker is dat het team heeft bewezen dat deze aanpak werkt op de enorme schaal die vereist is voor echte energieopwekking. Ze pasten hetzelfde molecuul toe op een grote siliciumwafer, ongeveer de grootte van een standaard industrieel zonnepaneel, met behulp van een machine die het oppervlak coat zoals een printer. Het grote paneel bereikte een gecertificeerde efficiëntie van 32,6%, wat de hoogste efficiëntie ooit geregistreerd voor een zonnecel van die omvang. Om ervoor te zorgen dat deze technologie klaar is voor de echte wereld, onderwierpen de onderzoekers de panelen aan zware omstandigheden die jarenlang buitengebruik nabootsen. Ze bakten de panelen in hoge hitte en vochtigheid en lieten ze door extreme temperatuurwisselingen gaan. Na deze tests behielden de panelen meer dan 90% van hun oorspronkelijke vermogen. Wanneer ze een module gemaakt van deze grote cellen buiten installeerden, bleef deze gedurende een maand consistente energie produceren.
De studie toont aan dat de sleutel tot het ontsluiten van het volledige potentieel van de volgende generatie zonne-energie niet alleen ligt in de materialen die licht opvangen, maar ook in hoe die materialen verbonden zijn met het silicium eronder. Door een molecuul te ontwerpen dat lang genoeg is om het ruige terrein van industrieel silicium te overspannen en sterk genoeg is om vast te houden, hebben de onderzoekers een belangrijke flessenhals weggenomen die hoog-efficiënte zonnecellen beperkt hield tot kleine laboratoriummonsters. Dit werk suggereert dat de weg naar goedkopere, krachtigere zonne-energie duidelijk is, mits de delicate interface tussen de lagen met dezelfde precisie kan worden beheerd als de lichtvangende materialen zelf. De resultaten wijzen erop dat deze tandemcellen niet langer slechts een theoretische mogelijkheid zijn, maar een levensvatbare technologie die klaar is voor massaproductie.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.