Rull-til-rull-fabrikerte hybrid perovskitt-solceller når rekordeffektivitet – Physics World

Rull-til-rull-fabrikerte hybrid perovskitt-solceller når rekordeffektivitet – Physics World

Tidsstempel: 5. april 2024 8:00


Foto av rull-til-rull-utskriftssystemet som ble brukt til å produsere hybrid perovskitt-solcellene
På rull: rull-til-rull-utskriftsteknikken som brukes til å produsere hybride perovskitt-solpaneler med effektivitet på 11 % og et areal på opptil 50 cm2. (Med tillatelse: D Vak)

Solceller med store arealer laget av hybride perovskittmaterialer har tatt et skritt nærmere kommersialisering takket være forskere i Australia og Storbritannia som fremstilte cellene med industrielle metoder for første gang. Produsert under omgivelsesforhold ved bruk av en teknikk kjent som rull-til-rull-utskrift, viser cellene relativt høy effektkonverteringseffektivitet på opptil 15.5 % for individuelle små celler og 11 % for seriekoblede i moduler med stort areal. Ifølge forskerne vil cellene også være billige å produsere, med beregnede kostnader som faller til $0.70 per watt når produksjonen når 1 000 000 m2 per år.

Et perovskittmateriale kalles "hybrid" når det inneholder både uorganiske og organiske komponenter. Som alle perovskitter har hybrider den kjemiske formelen ABX3, men i dette tilfellet er A et organisk kation, mens B er bly og X kan være jodid, bromid eller et annet halogenid. Strukturelt sett inneholder de et blyhalogenid-rammeverk som er fylt med små organiske kationer, og de viser mye lovende for tynnfilmsolceller fordi deres justerbare båndgap lar dem absorbere lys over et bredt spekter av solspektrumbølgelengder.

"Vi har jobbet med trykte organiske solceller i lang tid, men feltet for organiske solceller gikk relativt sakte frem da perovskittsolceller dukket opp," sier Doojin Vak av Australias Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO), som ledet prosjektet sammen med kolleger fra University of Cambridge, Monash University og University of New South Wales.

For forskere som Vak er det spennende med hybride perovskitt-solceller at deres kraftkonverteringseffektivitet i prinsippet er på nivå med etablerte solcellematerialer som silisium, galliumarsenid eller kadmiumtellurid. I praksis har imidlertid høyeffektive hybridperovskittsolceller så langt kun blitt demonstrert i laboratoriet. Å lage effektive enheter med stort område av disse materialene ved hjelp av industrielle prosesser er fortsatt utfordrende.

11 % effektivitet på 50 cm² paneler

I det siste arbeidet viste Vak og kollegene at de kunne produsere hybride perovskitt solcellepaneler med effektivitet på 11 % og et areal på opptil 50 cm2 ved hjelp av rull-til-rull-utskrift. Denne teknikken produserer celler i en kontinuerlig prosess som ligner måten aviser trykkes på, med påfølgende belegnings-, trykk- og tørketrinn som transformerer en rull med film i den ene enden til en rull full av det ferdige produktet i den andre.

Mange industrielle prosesser fullfører alle disse fabrikasjonstrinnene i en enkelt omgang. I dette tilfellet brukte imidlertid forskerne flere kjøringer for å fremstille enhetene sine. De erstattet også de vakuumbaserte metallelektrodene som konvensjonelt brukes i rull-til-rull-utskrift med trykte karbonelektroder som er kompatible med perovskittmaterialer.

Takket være denne justeringen var teamet i stand til å fremstille og analysere mer enn 10 000 solceller per dag. Dette eksperimentet med "høy gjennomstrømning" gjorde det mulig for forskerne å raskt identifisere optimale verdier for ulike prosesseringsparametre, noe som økte effektiviteten til de endelige enhetene.

Prototyper for ulike bruksområder

"Vi trodde at perovskitt-solceller også kunne skrives ut fullt ut som organiske, og vi har gjort gode fremskritt," sier Vak. "Det siste hinderet var å eliminere vakuumbaserte bakelektroder, og vi klarte å oppnå dette målet i dette arbeidet."

Forskerne sier at modulene de produserte kan brukes som prototyper for testing i ulike applikasjoner. "Selv om det ikke er på det nivået som er lett å ta i bruk i tradisjonelle felt der du normalt vil bruke modne solteknologier som silisiumsolceller, har vi identifisert applikasjoner. og premiummarkeder der denne teknologien vil ha et konkurransefortrinn, sier Vak. "For eksempel har vi sett på romapplikasjoner og har installert trykte perovskitt-solcellemoduler på en nylig lansert satellitt."

I denne studien, som er publisert i Nature Communications, de største solcellemodulene forskerne produserte målte 10 cm x 10 cm. Selv om dette anses som betydelig innenfor akademisk forskning, er det fortsatt for lite for virkelige applikasjoner. Neste steg for forskerne er derfor å skalere opp teknikken. "Heldigvis har vi nettopp fullført installasjonen av et toppmoderne utskriftsanlegg for perovskittsolceller på CSIRO, og vi vil være i stand til å utvikle teknologien med denne nye pilotskalaskriveren," forteller Vak. Fysikkens verden.

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden