Ny metod för tillverkning av solceller banar väg för storskalig produktion

Perovskit solceller omvandlar en hög fraktion av infallande ljus direkt till användbar ström. (Foto: Karlsruhe Institute of Technology, Fabian Ruf / Scilight)

Sulfolan-tillsatsprocess bidrar till enklare tillverkning, lägre kostnad, topprestanda, och ökad livslängd.

Denna nya enklare lösningsprocess handlar om att tillverka stabila solceller från perovskit. Med hjälp av metoden kan man radera ut den avgörande flaskhalsen som har förhindrat storskalig produktion och kommersialisering av denna lovande förnybara energiteknik, som har varit utom räckhåll i mer än ett decennium.

- Vårt arbete banar väg för lågkostnadsproduktion i kommersiell skala av större solmoduler inom en snar framtid, säger Wanyi Nie, forskare vid Center of Integrated Nanotechnologies vid Los Alamos National Laboratory och författare till artikeln om metoden, som nyligen publicerades i tidskriften Joule.

- Vi kunde demonstrera tillvägagångssättet med hjälp av två minimoduler som nådde toppnivåer när det gällde att omvandla solljus till kraft med avsevärt förlängda livslängder. Eftersom denna process är lätt och billig tror vi att den lätt kan anpassas till skalbar tillverkning i industriella miljöer, säger Nie.

Teamet uppfann en metod med ett stegs spinnbeläggning med sulfolan, ett flytande lösningsmedel. Den nya processen gjorde det möjligt för teamet, ett samarbete mellan Los Alamos och forskare från National Taiwan University (NTU), när det gällde att producera solcellsenheter med hög avkastning och stor yta som är ytterst effektiva när det gäller att skapa kraft från solljus. Dessa solceller från perovskit har också en lång livslängd.

- Vi är glada över denna prestation, säger professor Leeyih Wang, huvudutredaren i NTU-gruppen och en av författarna till artikeln med rubriken, "Detta är en ny syntetisk väg som är allmänt användbar i den rika perovskitfamiljen."

Hsin-Hsiang Huang, doktorand vid NTU och den första författaren till denna uppsats, förklarar:

- Vi har implementerat ny slags kemi för att driva processen i riktning mot en tekniskt relevant demonstration.

Solceller av perovskit-typ, har ansetts vara livskraftiga konkurrenter till de välbekanta kiselbaserade solcellerna på marknaden under årtionden. De har setts som en mycket efterlängtad framväxande teknik under det senaste decenniet. Kommersialiseringen har dock försvagats på grund av bristen på en lösning när det gäller teknikens stora utmaning: att öka produktionen av högeffektiva solcellsmoduler av perovskite-typ från ”labbet till fabriksgolvet.”

Tillverkning genom att införa sulfolan som tillsats i perovskitprekursorn eller i det flytande materialet som skapar perovskitkristallen genom en kemisk reaktion utgör löningen enligt forskarna.

Genom en enkel doppmetod kunde teamet deponera en jämn, högkvalitativ perovskit i form av kristalltunn film som täckte ett stort aktivt område i två minimoduler, en på cirka 16 kvadratcentimeter och den andra nästan 37 kvadratcentimeter. Att tillverka enhetlig tunn film över hela solcellsmodulens område är viktigt när det gäller att öka prestandan.

Minimodulerna uppnådde en effektomvandlingseffektivitet på 17,58 procent respektive 16,06 procent. Dessa effektivitetsvinster är bland de bästa uppnåbara effektivitetsvärden som hittills rapporterats. Effektomvandlingseffektiviteten är ett mått på hur effektivt solljus omvandlas till el.

För andra tillverkningsmetoder för perovskit är en av de viktigaste vägarna för tillverkning i industriell skala deras smala bearbetningsfönster, vilket är den tid då filmen kan läggas på substratet. För att få en jämn kristallfilm som är väl bunden till skiktet måste deponeringsprocessen kontrolleras strikt inom några sekunder.

Användning av sulfolan i perovskitprekursorn förlänger behandlingsfönstret från 9 sekunder till 90 sekunder och bildar högkristallina, kompakta skikt över ett stort område samtidigt som det är mindre beroende av bearbetningsförhållandena.

Sulfolanmetoden kan enkelt anpassas till befintliga tekniker för industriell tillverkning, vilket hjälper till att bana vägen i riktning mot kommersialisering.

Perovskiter kan konstrueras och tillverkas i extremt tunna filmer, vilket gör dem användbara för solceller.

Finansieringen: Detta arbete utfördes delvis vid Center for Integrated Nanotechnologies, ett Office of Science User Facility som bedrivs av US Department of Energy (DOE) Office of Science av Los Alamos National Laboratory (LANL) (Contract 89233218CNA000001).

Shreetu Shrestha och Wanyi Nie, som utförde arbetet, stöddes av LANL-LDRD-programmet.