Slumpartade upptäckter kan ge effektivare solceller och nya gassensorer
Samtidigt som forskare undersökte så kallade perovskitkristaller, upptäckte de att dessa var i stånd att effektivisera även solceller. Upptäckten kan dessutom leda till skapandet av nya sensorer för syrgas och vattenånga. Resultaten publicerades i nättidskriften Science den 27 juli.
förbättringstakten hos perovskiterna har varit fenomenal, delvis på grund det faktum att tusentals olika kemiska sammansättningar är möjligt inom denna klass av material. Man har fördubblat effektiviteten inom bara de senaste två åren
Insikten av att solceller bygger på hybrida perovskites, som de heter på engelska, upptäcktes först i 2009 och de visade sig vara lika effektiva som vanliga kiselsolceller. Perovskiter omvandlar ljus till elektricitet cirka 22 procent snabbare än kiselcellerna.
- Deras teoretiskt maximala gräns ligger på cirka 33 procent, säger Maria Antonietta Loi, professor i Photophysics och optoelektronik vid universitetet i Groningen.
En del av en elektrisk laddning försvinner dock när den färdas genom så kallade ”fällor” eller bromsande hinder. Detta händer i både kisel och perovskitiska solceller vilket minskar effektiviteten i den berörda solcellen. Därför är det viktigt för forskarna att får veta mera om dessa fällor och hur man undviker dem. En slumpartad observation vid universitetet i Groningen gav följaktligen nya insikter om hybrida perovskitiska fällor.
I samband med en undersökning av perovskitiska kristaller, placerade doktoranden Hong-Hua Fang en kristall i en vakuumkammare. Hans avsikt var att kyla ner materialet. Medan Fang pumpade in luft, ”väcktes” kristallen av en av misstag påslagen laser. Ljuset från lasern producerade elektrisk kraft i kristallen, som alstrade ljus när dessa två faktorer kombinerades.
- I vanliga fall bör kristallen avsöndra grönt ljus, men när luftpumpen avstängdes försvann överraskande nog det gröna ljuset, men när vi kopplade på luften igen, återställdes ljusöverföringen igen. Uppenbarligen försvann all elektronisk kraft i fällorna när det saknades luft, förklarade Hong-Hua-Fang.
Han antog att det är positivt laddade grupper av fällor som skapar alla förhindrande fällor på ytan hos perovskiternas kristaller, förklarar Maria Antionetta Loi vid Groningens Universitet.
Därför, säger Fang, måste man hitta ett sätt att eliminera dem. Vattenånga eller syrebehandling kan vara två av metoderna, men på längre sikt kan de skada materialet. Därmed är de, enligt Fang, inte användbara.
Fang fortsätter att testa andra alternativ. Om han lyckas kommer att han ytterligare öka effektiviteten i perovskitiska solceller.
- Antalet fällor i materialet som vi använde för dessa experiment var relativt låg, men vi tror att genom att eliminera dem, kan vi överträffa kiselkristallernas effektivitet, vilket är 25 procent, säger Hong.
Det finns andra alternativ och möjligheter att använda dessa forskningsresultat. Enligt Hong-Hua-Fang är syre och vattenånga omvändbar när det gäller perovskiterna, vilka kan fungera som utmärkta sensorer. Perovskitiska kristaller inuti i tillslutna livsmedelsförpackningar kan upptäcka förekomsten av skadligt syre eller andra ämnen. Med hjälp av en laser och en sensor kan man kontrollera till exempel om förseglingen har brutits.
Den tredje stora begränsning av konventionella solceller är deras effekt verkningsgrad, som har fastnat på 25 procent efter 15 år. När de först beskrevs, perovskiterna erbjöd mycket lägre effektivitet. I 2009, perovskite celler gjorda av bly, jodid och methylammonium omvandlas mindre än 4 procent av det solljus som träffar dem till elektricitet.
Markku Björkman
