Dubbla perovskiter i framtidens miljövänliga solceller

Ett nytt steg har nu tagits mot att kunna tillverka solceller och lysdioder i bly-fria perovskit-material. Filmer av hög kvalitet med lovande egenskaper för framtidens solceller har tagits fram i ett samarbete mellan Linköpings universitet och NTU i Singapore.

Forskargrupper runtom i världen har identifierat perovskit-materialen som de mest lovande för utvecklingen av framtidens billiga, miljövänliga och effektiva solceller. Energieffektiviteten har på några år ökat från några få procent till över 22 procent. De perovskiter som hittills använts inom solcellsforskningen innehåller dock bly och Feng Gao, universitetslektor vid LiU, blev i höstas utsedd till Wallenberg Academy Fellow för att fortsätta utveckla giftfria och dubbla perovskiter, där en dubbel uppsättning metallmolekyler ersätter blyet.

I laboratoriet vid LiU har nu Weihua Ning och Fang Wang, postdoktorer vid avdelningen Biomolekyär och organisk elektronik, lyckats tillverka tunna filmer, en kristall tjocka, av tätt packade kristaller av en dubbel perovskit. Filmen kan användas för det aktiva skiktet i solcellen, där solljuset absorberas och skapar laddningsbärare, och är av mycket hög kvalitet

– Våra kollegor vid Nanyang Technological University i Singapore har visat att sträckan laddningsbärarna kan diffundera i materialet är lång, vilket också är en förutsättning för att det ska vara lämpligt för användning i solceller, säger Feng Gao.

Energieffektiviteten är ännu så länge låg, bara lite drygt en procent av energin i solen blir till elektricitet, men det bekymrar varken Feng Gao eller Weihua Ning.

– Nej, vi har tagit det första stora steget och funnit ett sätt att tillverka det aktiva skiktet och vi har flera goda idéer hur vi i en nära framtid ska kunna öka effektiviteten, säger Feng Gao.

Enligt forskarnas beräkningar finns det över 4000 olika möjliga kombinationer av material som bildar dubbla perovskiter. Med hjälp av teoretiska beräkningar ska de nu också identifiera vilka som är bäst lämpade i framtidens solceller.

Genombrottet för forskningen inom dubbla perovskiter är också ett resultat av den gemensamma forskarutbildning som bedrivs inom material- och nanovetenskap vid Linköpings universitet och Nanyang Technological University.

Forskarna har publicerat sina resultat i den ansedda vetenskapliga tidskriften Advanced Materials.

– Den här publiceringen är ett resultat av samarbetet inom vårt gemensamma forskarutbildningsprogram. Två doktorander, en i Linköping och en i Singapore, har rekryterats för att arbeta med detta. Det här är en lysande start för programmet, säger professor Tze Chien Sum, vid NTU.

– Vi kompletterar varandra på ett mycket bra sätt, gruppen som leds av professor Sum vid NTU har de djupa kunskaperna inom ljusets fysik och här kan vi materialfysiken, säger Feng Gao.

Artikeln: Long Electron-Hole Diffusion Length in High-Quality Lead-Free Double Perovskite Films, Weihua Ning, Feng Wang, Bo Wu, Jun Lu, Zhibo Yan, Xianjie Liu, Youtian Tao, Jun-Ming Liu, Wei Huang, Mats Fahlman, Lars Hultman, Tze Chien Sum, and Feng Gao. Advanced Materials 2018. DOI: 10.1002/adma.201706246