Hvordan kan nedkonverteringsfosfor forbedre ytelsen og stabiliteten til perovskittsolceller?

Perovskittsolceller (PSCs) har oppnådd betydelig interesse på grunn av deres høye fotovoltaiske effektivitet, men utfordringer knyttet til utnyttelse av ultrafiolett (UV) lys og materialets stabilitet ved UV-eksponering begrenser fortsatt deres kommersielle potensial. En lovende tilnærming for å møte disse utfordringene er bruken av nedkonverteringsfosforer (DC-fosforer), spesielt basert på sjeldne jordmetaller (REs), som kan absorbere UV-lys og emittere synlig lys som perovskittlaget bedre kan utnytte.

På grunn av deres unike 4f-elektronstruktur har RE-elementer evnen til effektivt å absorbere UV-lys og omdanne dette til bølgelengder som er mer hensiktsmessige for solcellene. Dette reduserer ikke bare skadelig fotobærergenerering i TiO2-elektrontransportlaget og perovskittlaget, men øker også den totale fotostrømmen marginalt – med forbedringer i kortslutningsstrøm (Jsc) på opptil 2 % og betydelig bedre stabilitet ved UV-eksponering.

Eksempler på slike materialer inkluderer NaYF4:Eu3+, YVO4:Eu3+, ZnGa2O4:Eu3+, og CeO2:Eu3+, som har vist seg å øke både effektiviteten og levetiden til PSCs. NaYF4:Eu3+ absorberer UV-lys og emitterer ved karakteristiske overganger i Eu3+ (595 nm, 614 nm, 650 nm, 700 nm), noe som bidrar til at en perovskittsolcelle modifisert med dette materialet oppnår en PCE på nesten 20 %, mot 17 % for kontrollceller uten fosfor. YVO4:Eu3+ og Bi3+ integrert i TiO2-mesoporøst lag forbedrer både lysstabiliteten og PCE med omtrent 10 %, samtidig som enheten beholder over 70 % av sin opprinnelige effektivitet etter 60 timer med intensiv UV-belysning.

For å møte disse problemene har nyere forskning utviklet mer presise metoder som pulserende laseravsetning for å fremstille DC-lag som SrAl2O4:Eu2+,Dy3+. Disse lagene reduserer lysinduserte dyptliggende felletilstander i perovskittlaget, og oppnår både forbedret PCE og økt respons i UV-området. I tillegg tilbyr disse materialene et nytt perspektiv for lagring av solenergi gjennom fotokonvertering fra UV til synlig lys.

Til tross for disse fordelene, har organiske DC-materialer lavere kvanteeffektivitet (30–50 %) og utilstrekkelig stabilitet ved langvarig lyseksponering. Forbedring av RE-komplekser med bred UV-absorpsjon og effektiv energi­overføring kan derfor representere et viktig steg for å øke både effektiviteten og levetiden til PSCs.

Det er essensielt å forstå at effektiv implementering av DC-fosforer krever balansert integrasjon i solcellearkitekturen for å unngå uønsket carrier-rekombinasjon og for å oppnå optimal fotokonvertering. I tillegg må både syntesemetoder og materialvalg tilpasses for å sikre homogenitet og stabilitet i nanolagene. UV-stråling er en av de største bidragsyterne til nedbrytning av perovskittmaterialer, og DC-lag representerer dermed ikke bare en metode for å forbedre effektivitet, men også for å forlenge solcellens operative levetid.

For leseren er det viktig å innse at fremtidens perovskittsolceller i stor grad vil være avhengig av avanserte lysstyringsteknologier som DC-fosforer, og at materialvitenskapens utfordringer med nanokrystaller og interface-egenskaper spiller en kritisk rolle i den kommersielle gjennomførbarheten av disse løsningene. Forståelsen av hvordan UV-lys interagerer med både transportlag og det aktive perovskittlaget, og hvordan nedkonverteringsteknologi kan dempe fotodegradering samtidig som den øker utnyttelsen av sollyset, er avgjørende for å drive teknologien fremover.

Hvordan kan kjemisorpsjonsstrategier redusere blylekkasje i perovskittsolceller?

Glassinnkapsling basert på superhydrofobe polymerer (SRP) kan effektivt hindre blylekkasje fra skadede perovskittanordninger under lave temperaturer og regnfullt vær, samtidig som den muliggjør stabil drift under bøying og strekk. Når en skadet perovskittsolcelle utsettes for vann, kan kjemisorpsjon forhindre at Pb²⁺-ioner lekker ut i omgivelsene. Denne mekanismen fungerer ved at funksjonelle grupper i adsorpsjonsmaterialet koordinerer med frie Pb²⁺-ioner, og avhengig av hvor i enheten adsorpsjonsmaterialet er plassert, skilles det mellom intern og ekstern kjemisorpsjon.

Intern kjemisorpsjon innebærer typisk tilsetningsstoffer i perovskittlaget som påvirker vekstmåten og morfologien til perovskittkrystallene under filmfremstilling. Slike tilsetningsstoffer kan hemme ikke-strålegående rekombinasjon og dermed forbedre krystallstrukturen og ytelsen til perovskittfilmen. Mange av disse stoffene har funksjonelle grupper som fanger opp bly, noe som reduserer risikoen for blylekkasje fra ødelagte solceller. Det er imidlertid en balansegang, da overdreven bruk av tilsetningsstoffer kan hemme celleytelsen.

For eksempel integrerte Niu et al. akrylamid i perovskittprekursoren, som ved in situ-polymerisering dannet et chelaterende nettverk. Dette hybridmaterialet passiverte defekter og reduserte blylekkasjen med 94 % når cellene ble utsatt for deionisert vann. Polymerens Lewis syre-base-interaksjon med blyionene bidro til denne effekten. Andre forskere har benyttet rubidium-funksjonalisert polyakrylsyre for å passivere overflatedefekter i FAPbI₃, noe som forbedret celleytelsen samtidig som sterke interaksjoner mellom karbonylgrupper og Pb²⁺ reduserte blylekkasje.

Kjemiske forbindelser som 3-mercaptopropyltriethoxysilane (SiSH) forbedrer ytelsen ved å danne et superhydrofobt nettverk som binder Pb²⁺ sterkt, og reduserer blylekkasje både i deionisert vann og ved sur nedbør. Biologisk nedbrytbare polymerer som poly(butylenterephthalat-kotereftalat) (PBAT) med karbonylgrupper og aromatiske ringer er også brukt som antisolventer og belegglag, som drastisk senker blykonsentrasjonen i vann etter nedsenking. Ved å varmebehandle PBAT og påføre det som belegg, kan blylekkasjen reduseres til under 1 % av kontrollnivå.

Funksjonaliserte fullerenforbindelser som FPD har vist seg å danne stabile kjemiske bindinger med perovskittens krystallgitter, passivere defekter og chelatere Pb²⁺-ioner til uoppløselige komplekser. Dette gir både forbedret stabilitet og redusert miljøpåvirkning. Organiske forbindelser som 3,3′,6,6′-tetrasyano-9,9′-bikarbazol forbedrer også krystalliniteten, øker fuktmotstanden og reduserer blylekkasje ved å adsorbere betydelige mengder Pb²⁺ fra nedbrutte enheter.

Grensesnittet mellom perovskitt og elektrontransportlaget (ETL) har også en avgjørende rolle. Det påvirker ladningstransport, krystallstruktur og reduserer energibarrierer og rekombinasjon. Modifikasjoner som involverer koordinasjon med Pb²⁺-ioner eller etablering av hydrofobe lag, kan redusere blylekkasje ytterligere. Et godt optimalisert grensesnitt sikrer ikke bare bedre elektrisk ytelse, men også økt miljøsikkerhet ved å begrense blyutslipp.

Det er vesentlig for leseren å forstå at reduksjon av blylekkasje i perovskittsolceller ikke bare handler om forbedret ytelse, men også om miljømessig ansvar og sikkerhet. Metodene for intern kjemisorpsjon er et delikat samspill mellom å forbedre materialets elektriske egenskaper og samtidig fange opp toksiske ioner. Det krever nøyaktig kontroll av tilsetningsstoffenes mengde og type for å ikke kompromittere celleytelsen. Videre må grensesnittmodifisering vurderes i sammenheng med hele enhetens arkitektur for å oppnå best mulig balanse mellom funksjonalitet og miljøvern.

Å forstå de kjemiske interaksjonene på molekylært nivå, som Lewis-syre-base-bindinger og chelatering, er avgjørende for å designe effektive strategier mot blylekkasje. I tillegg spiller fuktmotstand og hydrofobisitet en viktig rolle for langvarig stabilitet under varierende klimatiske forhold. Det er også viktig å merke seg at noen tilsetningsstoffer kan ha flere funksjoner, som for eksempel både å forbedre krystallstruktur og fungere som flammehemmere, noe som øker sikkerheten i brukssituasjoner.

Slik innsikt gjør det mulig å utvikle perovskittsolceller som ikke bare er høytytende, men også miljøvennlige og trygge i praktisk bruk, noe som er avgjørende for kommersiell utrulling og samfunnsmessig aksept.

Hvordan kan perovskitt-solceller bli kommersialisert i stor skala?

I løpet av de siste tiårene har installasjonen av fotovoltaiske (PV) moduler vokst jevnt, med over 20 % årlig økning de siste seks årene. Blant de mest lovende materialfamiliene innen PV-teknologi står perovskitter—med den generelle kjemiske formelen ABX₃—som en av de fremste kandidatene for neste generasjons solceller. Disse materialene, ofte basert på monovalente kationer som metylammonium (MA⁺), formamidinium (FA⁺) eller cesium (Cs⁺), divalente metallkationer som bly (Pb²⁺) eller tinn (Sn²⁺), samt halogenanioner (Cl⁻, Br⁻, I⁻), besitter en krystallstruktur som gir dem unike fotovoltaiske egenskaper: høy lysabsorpsjonskoeffisient, lang diffusjonslengde for ladningsbærere og iboende defekttoleranse. Disse egenskapene, sammen med flere tiår med industriell erfaring innen PV-systemer, har gjort det mulig å oppnå hurtige fremskritt i effektiviteten til perovskitt-solceller (PSC).

En annen betydelig utfordring er fraværet av universelle standarder for testing av stabilitet og nedbrytning. Dette gjør det vanskelig å sammenligne resultater på tvers av forskningsmiljøer og forhindrer en presis forståelse av degraderingsmekanismer. Livsløpsanalyser (LCA) brukes derfor i økende grad som et verktøy for å evaluere miljøpåvirkningen og langsiktig bærekraft av perovskitt-baserte PV-systemer. For at perovskittmoduler skal kunne konkurrere med silisiumbaserte løsninger i kraftverk, må de vise en driftstid på 20–25 år—noe som krever grundig forståelse og kontroll av kjemiske og fysiske nedbrytningsprosesser.

For tinn-baserte PSC-er har fokuset ligget på kontrollert krystallinitet og utnyttelse av Sn²⁺/Sn⁴⁺-polaritet for å oppnå stabile og effektive strukturer. Spesifikke grensesnittsmodifikasjoner, som introduksjon av en SnO₂-Cl-overgangssjikt mellom SnO₂ og FAPbI₃, har vist seg effektive, med rapportert virkningsgrad på opp mot 25,8 %. Bruken av alkylammoniumklorider for å regulere krystallvekst har også ført til betydelige forbedringer i virkningsgrad.

Transparente PSC-arkitekturer (p-i-n) har i tillegg vist større strukturell stabilitet sammenlignet med tradisjonelle n-i-p-systemer. Disse krever ikke lenger dyre og ustabile hulltransportmaterialer som Spiro-OMeTAD. Ved å redusere overflateruhet og justere arbeidsfunksjonen via overflatekjemisk behandling, har det blitt mulig å oppnå virkningsgrader over 25 % også for slike konfigurasjoner. Dermed står grensesnittoptimalisering og defektdemping som sentrale strategier for videre ytelsesforbedringer.

Overgangen fra lab-til-industriell skala krever utvikling av produksjonsprosesser som både er repeterbare og kompatible med høyt volum. Ulike tilnærminger har blitt prøvd: blant annet har vakuumbasert fordampning og presis blekk-baserte påføringsmetoder vist potensial til å produsere homogene perovskittfilmer med god kontroll over filmtykkelse og sammensetning. Eksempelvis har blade-coating av Cs₀.₀₃(FA₀.₉₇MA₀.₀₃)₀.₉₇Pb(I₀.₉₇Br₀.₀₃)₃ gitt virkningsgrader nær 19 % for moduler på flere cm².

Til tross for at mange store skala demonstrasjoner viser lovende resultater, er produksjonskostnaden fortsatt en barriere. Det er nødvendig å redusere den såkalte "levelized cost of electricity" (LCOE) for å sikre konkurranseevne mot silisiumbaserte løsninger. Selv om forbedring i virkningsgrad per arealenhet er det mest direkte middelet for å senke denne kostnaden, er det ikke gitt at dette alene vil være tilstrekkelig. Materialkostnader, prosesskompleksitet og langtidspålitelighet spiller like viktige roller.

I tillegg til det teknologiske rammeverket, er det viktig å forstå at bærekraft og reguleringsspørsmål blir stadig viktigere for fremtidens PV-industrien. Håndtering av bly, muligheter for gje

Hvordan utvikler og implementeres produksjonskapasitet for perovskitt solceller globalt?

Perovskitt solceller representerer et av de mest lovende områdene innen fornybar energiteknologi, og produksjonskapasiteten økes raskt på verdensbasis. I Kina har flere ledende selskaper som GCL-Poly Energy Holdings Ltd., Microquanta Semiconductor og Utmolight markert seg med store produksjonslinjer for perovskittmoduler. GCL-Poly ferdigstilte i september 2021 en 100 MW produksjonslinje for store perovskittmoduler, med plan om å åpne denne i 2023, og satser på en effektivitet på 18 % samt en utvidelse til 1 GW produksjonskapasitet innen 2026. Tilsvarende satser Microquanta på å nå 21,5 % effektivitet i sine produksjonslinjer, med mål om GW-skala produksjon innen samme tid. Utmolight kan skilte med verdens største perovskittproduksjonslinje på 150 MW, og har ambisjoner om å nå 6 GW produksjon innen 2026 gjennom trinnvis oppskalering.

I Storbritannia har Oxford PV fullført en 100 MW produksjonslinje for perovskitt/si tandemmoduler i 2021, med planer om ytterligere ekspansjon for å produsere på gigawattnivå. Power Roll Ltd. har etablert verdens første pilotanlegg for produksjon av fleksible solfilmer med ny patentert teknologi, som representerer en innovasjon innen solcelleteknologi.

I USA har selskaper som Caelux Corporation, First Solar (Evolar AB), Ascent Solar Technologies og Tandem PV, Inc. også etablert pilot- og utviklingslinjer. Caelux har en 50 MW prototypeproduksjon og ambisjoner om å skalere opp til multi-gigawatt produksjon innen 2025, mens First Solar jobber med å ferdigstille avanserte produksjonslinjer for tynnfilm- og tandemsolceller innen 2024. Tandem PV planlegger en pilotproduksjonsfasilitet i San Jose, California. Ascent Solar har en mindre produksjonsenhet på 5 MW, dedikert til industrialisering av patenterte perovskitt-teknologier.

I Sør-Korea driver Hanwha Q CELLS en liten testlinje for forsknings- og utviklingsformål, og planlegger å starte prøveproduksjon i andre halvdel av 2024, med fullskala serieproduksjon av batterier innen 2026.

Det er viktig å forstå at den teknologiske utviklingen innen perovskitt solceller ikke bare handler om å øke produksjonsvolumene, men også om å forbedre celleeffektivitet, stabilitet og integrering i eksisterende solcelleteknologier som silisiumbaserte moduler. Tandemceller, som kombinerer perovskitt med silisium, har potensial til å bryte effektivitetstakene til tradisjonelle solceller, noe som kan gjøre solenergi enda mer konkurransedyktig.

Produksjonens geografiske spredning viser en tydelig dominans av Kina, men også betydelige investeringer i Europa, USA og Sør-Korea, noe som understreker global interesse og konkurranse i dette feltet. Forståelsen av disse dynamikkene er essensiell for å følge teknologiens kommersielle vei og dens rolle i det grønne skiftet.