Kvanteprikker har nylig fått økt oppmerksomhet som en effektiv metode for nedkonvertering (DC) og spektral utvidelse i perovskittsolceller (PSCs). Spesielt har CsPbBr3-kvanteprikker vist seg å forbedre både dampfasemetoder og løsningbaserte prosesser for fremstilling av PSCs, med en målbar PCE (power conversion efficiency) på henholdsvis 16,4 % og 20,8 %. Denne forbedringen skyldes DC-effekten i UV-området (300–500 nm) og en betydelig reduksjon i bærerrekombinasjon. Luminescensen fra kvanteprikkene gir også et «fargerikt» fenomen, samtidig som konverteringen av UV-lys eliminerer en kritisk tapmekanisme som ellers svekker perovskittens stabilitet.

Videre har Mn2+-dopede CsPbCl3-kvanteprikker vist seg å skape et mellomliggende kvantetilstand som øker kvanteutbyttet til omtrent 60 %. Dette fører til forbedret PCE og ekstern kvanteeffektivitet (EQE) sammen med økt stabilitet for PSCs. I tillegg øker disse kvanteprikkene effektiviteten i organiske og silisiumbaserte solceller med henholdsvis 3,21 % og 2,98 % ved at de fungerer som isolerende lag. Den sterke DC-effekten til perovskittkvanteprikker gjør dem også attraktive i fotodetektorer, der de forbedrer respons og stabilitet, spesielt i UV-C-spekteret. CsPbBr3-kvanteprikker fungerer altså både som et effektivt DC-lag for å omdanne UV-lys til synlig lys ved 510 nm, og som et beskyttende lag som reduserer nedbrytning av hybridorganisk-inorganisk perovskitt forårsaket av UV-eksponering.

På samme tid har karbonmaterialer vist seg å være lovende for DC-applikasjoner på grunn av deres høye elektriske ledningsevne, kjemiske stabilitet, lave kostnader og gode fluorescensegenskaper. Materialer som grafitt, karbonnanorør, grafen og fulleren viser DC-fluorescens med ulike transportegenskaper for ladningsbærere avhengig av atomstruktur og dimensjon. For eksempel har luminescerende grafen-kvanteprikker med et kvanteutbytte på 94 % potensial til å øke den interne kvanteeffektiviteten (IPCE) med over 40 % i spekteret 300–400 nm, uten behov for ekstra UV-filtre. Bruk av fluorescerende karbonprikker i m-TiO2-lag kan konvertere UV til blått lys og oppnå en PCE på 16,4 %, samtidig som omtrent 70 % av den opprinnelige effektiviteten bevares etter 12 timers full sollys. N-dopede grafen-kvanteprikker med et kvanteutbytte på 80 % kan omdanne UV-lys til synlige fotoner, noe som øker både Jsc og PCE i γ-CsPbI3-baserte PSCs og forbedrer stabiliteten ved å hindre UV-lys i å trenge inn i cellen.

Polyetylenimin-modifiserte, krysstablede superjusterte karbonnanorør-filmer har også vist seg å øke PCE til rundt 11 % med neglisjerbar hysterese og bedre holdbarhet sammenlignet med standard sølvbaserte enheter. Samlet sett antyder dette at karbonmaterialer med høyt kvanteutbytte er et kraftfullt verktøy for å oppnå fotostabile PSCs under fullspektral belysning.

DC-materialer har en betydelig innvirkning på PSCs’ effektivitet, primært fordi de utnytter UV-lys mer effektivt og dermed reduserer energitap. Sammenlignet med oppkonvertering (UC) har DC en mer markant effekt, noe som reflekteres i mange studier som overgår den teoretiske grensen for effektivitet. Dette skyldes hovedsakelig det høye kvanteutbyttet til fotoluminescerende fosforer og forbedringer i lysspredning og intern transport av ladningsbærere. For optimal utnyttelse av solcelens spektrum gjennom DC, er nøye valg av DC-materialenes båndgap og tilpasning til perovskittens struktur avgjørende.

I tillegg til luminescensegenskapene, må DC-materialers optiske og miljømessige stabilitet vurderes for kommersielle anvendelser. Langtidsstabilitet og bærekraftig produksjon kan oppnås ved optimalisering av prosesser og materialer. Bruken av et ekstra DC-lag kan øke produksjonskostnadene, avhengig av materialvalg og avsetningsmetode, og det er nødvendig med nøyaktige målinger av fluorescenseffektivitet og fotoelektrisk konvertering for å evaluere de beste DC-materialene. Mens mange DC-materialer baserer seg på sjeldne jordmetaller på grunn av deres unike fluorescensegenskaper, har perovskittkvanteprikker med nær 100 % fluorescenseffektivitet et potensial, men krever emballeringsteknologier for å motvirke fluorescensreduksjon forårsaket av aggregering og luftens påvirkning. Fluorescensintensiteten påvirkes også sterkt av lagtykkelse, noe som krever nøye kontroll for maksimal effekt.

Det er avgjørende å forstå at integreringen av DC-materialer i perovskittsolceller ikke bare forbedrer effektiviteten gjennom bedre utnyttelse av UV-lys, men også bidrar vesentlig til solcellens levetid og stabilitet. Den teknologiske utfordringen ligger i å balansere materialenes fotoluminescerende egenskaper med deres pålitelighet og produksjonskostnader, samt i å utvikle metoder for å minimere fluorescensdegradering over tid. For å fremme kommersialisering av PSCs med DC-teknologi, må fremtidig forskning fokusere på både materialinnovasjon og prosessoptimalisering, samt på nøyaktige metoder for karakterisering av optiske og elektriske egenskaper under reelle driftsforhold.

Hvordan oppnås høy effektivitet i store og fleksible perovskittsolceller?

Perovskittsolceller (PSCs) har vist betydelige fremskritt innen modulær design og effektivitet på tvers av ulike arealstørrelser, fra små miniatyrmoduler til store moduler på flere hundre kvadratcentimeter. Modularisering av PSCs innebærer å dele store perovskittfilmer i flere underceller ved hjelp av laser eller mekaniske metoder, som deretter kobles sammen med ledere for å øke både utgangsspenning og strøm. Denne tilnærmingen gjør det mulig å tilpasse solcellemodulens elektriske egenskaper til praktiske energibehov, samtidig som den sikrer at ytelsesforbedringer skalerer fra små celler til store moduler. Eksempler på dette inkluderer flere rapporterte moduler med effektivitet opp til over 22 %, med areal opptil flere hundre kvadratcentimeter, som viser stabil og pålitelig ytelse.

For tandemsolceller, som kombinerer perovskittlag med silisiumceller, er effektiviteten enda høyere, med rekordverdier rundt 33,7 % for små områder på cirka 1 cm². Denne typen celler krever nøye optisk og elektrisk design for å unngå tap forårsaket av mismatching mellom cellene, samt optimalisering av materialer i mellomlagene. Utvikling av transparente elektroder med lav kontaktmotstand, antirefleksjonsbelegg og fasestabilisering av perovskittmaterialer er essensielt for å redusere optiske tap og øke den samlede strømproduksjonen. Justering av tykkelsen på topp- og bunncellene, samt valg av passende transisjonelle lag, bidrar til bedre strøm- og spenningstilpasning, noe som er avgjørende for å utnytte tandemcellers fulle potensial.

Når det gjelder fleksible og lette solceller, har utviklingen gått i retning av materialer og strukturer som tåler mekanisk belastning som bøying og strekk. Utfordringer knyttet til lysgjennomgang og sprekkdannelse i perovskittfilmen har blitt delvis løst ved bruk av kryssbindende monomerer som reduserer indre spenninger. Dette har ført til fleksible PSCs med effektivitet på over 23 % på små flater. Bruk av ikke-giftige alternativer, som tinnbaserte perovskitter, gir et mer bærekraftig og mykere materiale for bærbare enheter, selv om disse fortsatt må forbedres ytelsesmessig. Fleksible solceller har et stort potensial i romfartsindustrien, der vekt og strålingstoleranse er kritiske faktorer. Eksperimenter utført i rommet har vist at PSCs kan fungere under ekstreme forhold, noe som åpner for nye bruksområder.

Stabilitet og holdbarhet for PSCs er imidlertid fortsatt en sentral utfordring. I jordbaserte miljøer påvirkes cellene av vann, oksygen, lys og varme, noe som kan føre til rask degradering. Tiltak som defektfiksasjon og funksjonalisering av grensesnitt er viktige for å øke motstanden mot miljøpåvirkninger. Bruk av fotokuring og kryssbinding av molekyler i grensesnittene bidrar til å forsegle og beskytte materialene. For å sikre langsiktig driftsevne må også samspillet mellom materialer, lagdeling og kapsling optimaliseres.

Det er viktig å forstå at selv om høy effektivitet og fleksibilitet er essensielle teknologiske mål, krever kommersialisering av PSCs en balanse mellom ytelse, produksjonskostnad, miljøpåvirkning og holdbarhet. Teknologiske forbedringer på ett område kan påvirke andre, slik som valget av materialer som både må tåle mekanisk stress og ha god elektrisk ytelse uten å ofre stabiliteten. Prosesseringsteknologier som muliggjør storskala produksjon uten betydelig ytelsestap er avgjørende.

Leseren bør også ha i mente at perovskittsolcellenes fremtidige suksess ikke bare avhenger av høy initial effektivitet, men også av deres evne til å opprettholde denne over tid under realistiske driftsforhold. Utvikling innen materialvitenskap, optisk design og elektrodeengineering vil derfor fortsette å spille en sentral rolle. Samtidig kreves en dyp forståelse av sammenhengen mellom mikroskopiske prosesser i materialene og makroskopisk ytelse for å kunne finjustere teknologiens egenskaper.

Hvilke selskaper leverer materialer, utstyr og utvikler solcellepaneler basert på perovskitt?

Perovskittmaterialer og teknologier har fått betydelig oppmerksomhet som grunnlag for neste generasjon solceller, og det finnes en omfattende global leverandørkjede knyttet til denne teknologien. Selskaper over hele verden spesialiserer seg på ulike aspekter av perovskittbasert produksjon – fra materialer til avansert utstyr og ferdige solcellemoduler.

Materialleverandører spiller en essensiell rolle i denne verdikjeden. De tilbyr høypuritetspreparater som metallhalider, kvanteprikker (quantum dots), transportmaterialer for elektroner og hull, samt mellomprodukter for videre prosessering. Disse selskapene finnes i mange land, blant annet Kina, USA, Japan, Sveits, Storbritannia, Tyskland, Korea, Sverige, Brasil, Israel, Russland, Italia, Canada og India. Produktene deres omfatter både organiske og uorganiske komponenter, som cesiumhalider, bly- og tinnbaserte halider, organisk oniumsalter, og avanserte nanomaterialer. For eksempel leverer selskapet Greatcell Solar Materials høypuritetspreparater for solceller og LED-komponenter, mens Avantama AG i Sveits er kjent for flytende formuleringer og blekk med perovskittbaserte kvanteprikker med svært høy kvanteeffektivitet (>95 %).

Utstyrsprodusentene er nøkkelaktører i å muliggjøre storskala produksjon av perovskittsolceller. De utvikler spesialisert teknologisk utstyr som kjemisk dampdeponeringssystemer (CVD), fysisk dampdeponeringssystemer (PVD), laser- og optiske systemer, slot-die coatere og avanserte karakteriseringsverktøy for å måle kvanteeffektivitet og elektriske egenskaper. Disse selskapene har base hovedsakelig i Tyskland, USA, Japan, Kina, Taiwan, Korea, Nederland, Frankrike, Danmark og Australia. Eksempler inkluderer Aixtron AG med deres metallorganiske CVD-systemer og Kurt J. Lesker Co., Ltd. med PVD-utstyr.

På solcellemodulfronten finnes det både etablerte og innovative selskaper som utvikler ferdige perovskittmoduler, ofte i kombinasjon med silisium for tandemceller som kan øke effektiviteten betydelig. I Kina er det flere aktører som GCL-Poly Energy Holdings, Microquanta Semiconductor og Renshine Solar som produserer perovskittmoduler i ulike størrelser, fra små paneler til store modulstørrelser. I USA finner vi selskaper som First Solar og Swift Solar, som satser på perovskitt/silisium tandemceller og fleksible solcellefilmer, mens i Storbritannia og Korea er det også viktige utviklere som Oxford PV og Hanwha Q CELLS. Japanske Panasonic og Toshiba utvikler også kommersielle perovskittbaserte solcellepaneler med relativt store aktive områder.

Det er vesentlig å forstå at perovskittsolceller representerer en teknologisk overgang hvor en rekke aktører må samarbeide tett for å sikre stabilitet, holdbarhet og effektivitet på kommersiell skala. Utviklingen drives fremover av materialinnovasjon, produksjonsteknologi og integrasjon i ulike anvendelser som bygningsintegrerte solceller (BIPV) og bærbare enheter. For å realisere kommersialisering av perovskittsolceller kreves derfor en helhetlig tilnærming som omfatter alt fra materialsyntese til masseproduksjon og systemintegrasjon.

I tillegg til listen over selskaper er det viktig å være oppmerksom på at markedet for perovskittmaterialer og -teknologi er dynamisk og preget av rask innovasjon. Nye materialer med forbedret stabilitet, miljøvennlighet og kostnadseffektivitet blir utviklet kontinuerlig. Videre spiller regulatoriske forhold, patentlandskap og globale forsyningskjedeutfordringer en betydelig rolle for teknologioverføring og kommersiell suksess. Leseren bør også være bevisst på at tverrfaglig kompetanse innen kjemi, materialvitenskap, fysikk og ingeniørfag er nødvendig for å forstå og utnytte potensialet i perovskittsolceller fullt ut.

Hvordan oppnå effektivitet og stabilitet i perovskittsolceller gjennom grensesnittdesign og materialvalg

Utviklingen av perovskittsolceller har gjort betydelige fremskritt mot kommersialisering, hovedsakelig gjennom nøye kontroll av materialer og grensesnitt. Atomisk koherente interlag på SnO₂-elektroder, som vist i H. Min et al. (2021), bidrar til forbedret elektrisk kontakt og reduserer rekombinasjonstap, noe som gir høyere effektivitet. Kontrollert vekst av perovskittlag ved bruk av flyktige alkylammoniumklorider (Park et al., 2023) muliggjør ensartede og defektfrie filmer, som er essensielle for stabilitet og ytelse.

Overfladereaksjoner, som de beskrevet av Jiang et al. (2022), fremmer stabilitet i inverterte perovskittsolceller ved å redusere trapplokaliserte defekter og forhindre degradering. Tilpasning av grensesnitt, ifølge Xia, Sohail og Nazeeruddin (2023), er avgjørende for å balansere energinivåer og forbedre ladningsoverføring, samtidig som det hindrer ionemigrasjon som kan føre til ytelsesfall. Passivatorer spiller også en sentral rolle i å oppnå høy effektivitet og lang levetid, ved å forsegle overflaten og redusere uønskede reaksjoner (Zhang et al., 2023).

Fremstillingsteknologiene har utviklet seg til å inkludere belegging og utskrift (Howard et al., 2019), samt vakuumfordamping (Li et al., 2022), som muliggjør storskala produksjon med høy presisjon og gjentakbarhet. Spesielt blade-coating med kosolventassistert faseovergang (Liang et al., 2022) og modulbygging over store områder (Bu et al., 2022) adresserer utfordringer knyttet til krystallvekst og filmens homogenitet, som er kritiske faktorer for effektivitet og stabilitet.

Materialinnovasjoner, som bruk av alkylammonium dopanter i hole-transportlag (Kim et al., 2023) og utvikling av elektrode-materialer for fleksible enheter (Xu et al., 2022), utvider anvendelsesområdene til perovskittsolceller, inkludert bærbare og romrelaterte applikasjoner (Tu et al., 2021). Videre har studier på ionemigrasjon og degraderingsmekanismer (Besleaga et al., 2016; Li et al., 2020) avdekket viktige prosesser som kan kontrolleres gjennom elektrodematerialer og grensesnittstrategier for å forhindre ytelsestap.

Bruk av to-lags og sammensatte elektroder (Jiang et al., 2022; Lin et al., 2020) gir bedre motstand mot bakspenning og forbedret stabilitet under drift. Innlemming av barriere-lag som kromoksid eller gull (Kaltenbrunner et al., 2015; Mei et al., 2021) beskytter mot oksidasjon og fuktighet, noe som er avgjørende for langtidsholdbarhet. Videre demonstreres selvhelende strukturer ved romtemperatur (Chen et al., 2023), som gir fleksible perovskittsolceller muligheten til å reparere mikroskopiske skader, og dermed forlenge levetiden.

Kryssbindingstilsetninger i Sn-Pb blandede perovskitter (Li et al., 2023) og tilsetning av etylen-diamin (Taddei et al., 2022) undertrykker faseinstabilitet og fase-segregering, som ellers svekker ytelsen. Videreutvikling av tredoble halidblandinger med redusert faseutskillelse (Xu et al., 2020) gjør tandemsolceller mer effektive og stabile. Disse forbedringene er fundamentale for kommersialiseringen av perovskittbaserte enheter, hvor balansert krystallvekst, grensesnittkontroll og stabiliserende tilsetningsstoffer er nøkkelfaktorer.

For romfartsapplikasjoner stilles ytterligere krav til strålingsbestandighet, og det pågår utvikling av standardiserte metoder for å teste og forbedre perovskittsolceller i slike miljøer (Kirmani et al., 2022). Samtidig adresseres miljøaspekter gjennom reduksjon av blygiftighet via innebygde supramolekylære komplekser (Yang et al., 2023), og innkapslingsstrategier utvikles for å sikre både ytelse og sikkerhet i praktiske anvendelser (Ma et al., 2022).

For å forstå og utnytte denne teknologien fullt ut, er det viktig å ha innsikt i både de kjemiske og fysiske prosessene i perovskittmaterialene, særlig hvordan krystallstruktur, ionemigrasjon og grensesnittsfenomener påvirker ytelse og holdbarhet. Løpende utvikling innen materialdesign og prosesskontroll vil være avgjørende for å overvinne dagens begrensninger og realisere kommersielle, stabile og effektive perovskittsolceller.

Hvordan optimalisere stråleutvelgelse for droner ved bruk av multimodal prediksjonsteknologi
Hvordan Effektiv Reduksjon av Uran kan Forbedres gjennom Materialdesign og Reaksjonsmekanismer
Hvordan en dobbel agent kan bli avslørt og hvordan man håndterer dobbeltspill
Hva er barrierene for autonom drift i detaljhandel og hva må forskes på for å oppnå full autonomi?