Stående plattor ger effektivare solceller

Forskargruppens fynd handlar om perovskit för solceller. Perovskit är namnet på mineralet kalciumtitanoxid som upptäcktes i Ryssland på 1800-talet.

Men i solcellssammanhang avser benämningen olika typer av material som har perovskitens speciella kubliknande kristallstruktur. Den vanligaste materialsammansättningen för solceller är metylammonium, bly och jod.

Perovskit ses som mycket lovande som solcellsmaterial och ett intensivt forskningsarbete pågår på området. Men än så länge finns sådana solceller bara på experimentstadiet.

– Verkningsgraden på perovskitsolceller har på 4¬–5 år gått från nästan inget till över 22 procent. Inget annat material i solceller har utvecklats så snabbt, säger Tönu Pullerits, professor i kemisk fysik på Lunds universitet.

Hans forskargrupp har i samarbete med Fudanuniversitetet i Shanghai angripit problemet att perovskit i solceller är mycket vattenkänsligt. Materialet löses helt enkelt upp i kontakt med vatten. Till och med vanlig luftfuktighet påverkar materialets kapacitet inom loppet av några timmar eller minuter.

Nu verkar forskarna vara en lösning på spåret. Små plattor, ungefär 1 nanometer tunna, har tillverkats i laboratoriet. Sedan har forskarna lyckats få materialet att själv bilda vattenavvisande, oljeliknande ytor.

– Dessutom har vi lyckats orientera plattorna så att man får rätt okej solceller, med en verkningsgrad på tio procent, säger Tönu Pullerits.

Eftersom plattorna är så tunna måste man ha många plattor ovanpå varandra, i lager på lager, för att få tillräckligt bra absorption av solljuset. Problemet är att de vattenavvisande ytorna inte låter elektroner röra sig fritt i materialet. Det blir svårt för elektronerna att hoppa från platta till platta, vilket innebär att effektiviteten hos solcellerna minskar.

Forskarna testade först med två olika vattenavvisande ytor där molekylstrukturen skilde sig åt. De förväntade sig att den ena varianten skulle ge ett bättre resultat där elektronerna skulle kunna hoppa lättare mellan plattorna.

Men i stället blev det tvärtom. Det andra alternativet gav mycket bättre resultat. Det förvånade forskarna, som då påbörjade nya experiment för att förstå varför.

– Här blev våra laserexperiment avgörande. Vi kunde bevisa att de plattor som vi fick med det andra ytalternativet självorganiserade sig så att de stod upp på kanten i stället för att ligga platt mot varandra, säger Tönu Pullerits.

Tack vare plattornas självorganiserade struktur kunde elektronerna röra sig fritt i materialet mellan elektroderna, vilket ökade effektiviteten. Tönu Pullerits anser att resultaten är ett viktigt steg på vägen till att bygga stabila och effektiva solceller med film av perovskitstruktur.

– Och jag skulle nog kunna tänka mig att det går att få bättre verkningsgrad än tio procent. Vi har bara forskat på det här i ett år, säger han.

Exakt hur stabila perovskitsolceller skulle kunna bli är dock för tidigt att svara på, enligt Tönu Pullerits:

– Men om man kan få en solcell att fungera med en molekylär struktur som skyddar mot fuktighet, då är det en mycket bättre lösning än att bygga skydd som stänger ute fukten, säger han.

Forskningsresultaten publicerades nyligen i den vetenskapliga tidskriften Advanced Energy Materials.

Prenumerera på Ny Tekniks kostnadsfria nyhetsbrev!