Et materiale, der samler sig ved grænserne mellem små krystaller, kan hjælpe en tandemsolcelle med både at udnytte lyset bedre og holde længere i test. Et nyt studie i Nature Energy rapporterer en certificeret virkningsgrad på 31,62 procent for en solcelle, der kombinerer perovskit og silicium.

Arbejdet blev offentliggjort 2. november af Biao Li og kolleger fra blandt andet Zhejiang University. Holdets fokus er en konkret svaghed i perovskitfilmen: forvrængninger og defekter, der kan opstå dér, hvor krystalkorn mødes.

Grænsen mellem krystallerne betyder noget

En tynd solcellefilm kan bestå af mange små krystalkorn. Materialet er derfor ikke nødvendigvis ensartet hele vejen gennem filmen, selv om overfladen ser glat ud. Overgangene mellem kornene kan have andre egenskaber end deres indre.

I det nye arbejde bruger forskerne en blybaseret metallomesogen. Den danner en mellemfase med både faste og væskelignende egenskaber og fordeler sig langs korngrænserne. Ifølge studiet mindsker den forvrængning og forskydningsspændinger og begrænser dannelsen af defekter.

Det er et eksempel på, at en forbedring ikke altid kræver et helt nyt aktivt materiale. Nogle gange ligger opgaven i at kontrollere de steder, hvor materialets struktur brydes. En lille del af filmen kan få stor betydning, hvis den udgør en svag forbindelse mellem ellers velfungerende områder.

For en solcelle er det ikke nok at optage sollyset. Den energi, der sættes i bevægelse i materialet, skal også kunne ende som brugbar elektrisk strøm. Fejl i strukturen kan bidrage til tab undervejs. Derfor hænger materialekvalitet og elektrisk ydelse tæt sammen.

To lag deler arbejdet med lyset

En tandemsolcelle kombinerer to aktive solcellelag. Perovskit kan tilpasses til at udnytte dele af sollysets spektrum, som silicium ikke udnytter lige så effektivt. Det amerikanske energiministerium beskriver netop denne arbejdsdeling som en væsentlig grund til interessen for kombinationen.

Det betyder ikke, at lagene blot kan stables uden videre. De skal fungere sammen som en elektrisk og optisk helhed. Et godt resultat fra det ene materiale skal overleve integrationen med det andet. Studiet er derfor interessant som en afprøvning af materialeforbedringen i selve tandemopbygningen.

Holdets bedste rapporterede virkningsgrad var 32,08 procent, mens det certificerede resultat var 31,62 procent. De to tal bør holdes adskilt. Virkningsgraden angiver den andel af den indfaldende lysenergi, som omsættes til elektrisk energi under målingens betingelser.

Holdbarhedstallene er separate prøver

Forskerne rapporterer 95 procent bevaret begyndelsesydelse efter omkring 3.000 timers drift med sporing af det maksimale effektpunkt. En anden belastningstest ved 85 grader og 85 procent relativ luftfugtighed gav 93 procent bevaret ydelse efter 1.500 timer.

De procenttal må ikke forveksles med virkningsgraden. Bevarede 95 procent betyder her, at ydelsen sammenlignes med prøvens eget udgangspunkt. Det betyder ikke, at cellen omdanner 95 procent af sollyset til strøm.

Testene undersøger også forskellige belastninger. Man kan derfor ikke lægge timerne sammen og få én samlet dokumenteret levetid. De giver hver deres information om, hvordan enheden reagerer under bestemte forsøgsbetingelser.

Tre tusind timer er 125 døgn. Det er en relevant laboratorieperiode, men tallet kan ikke i sig selv oversættes til årtiers drift på et tag. En sådan vurdering kræver viden om, hvordan testbetingelserne hænger sammen med de påvirkninger, et færdigt produkt møder.

Flere af forfatterne oplyser en foreløbig patentansøgning knyttet til arbejdet.

Fra vellykket celle til pålideligt produkt

Energiministeriet fremhæver stabilitet, holdbarhed og reproducerbar fremstilling som centrale udfordringer for perovskitteknologi. Det nye resultat adresserer en del af den opgave, men dokumenterer ikke alene et stort, masseproduceret solpanel med kendt pris og levetid.

Næste praktiske spørgsmål er, om korngrænserne kan kontrolleres ensartet over større arealer og gennem gentagne produktioner. Den videnskabelige pointe er allerede konkret: Styring af de mikroskopiske overgange kan være et redskab til at forbedre både ydelse og modstandsdygtighed i samme solcelleopbygning.

Kilder og videre læsning

Har du fundet en fejl? Læs om rettelser.