Fleksible perovskittsolceller kan i prinsippet formes rundt overflater som ryggsekker og biltak, men produksjonen har vært hemmet av et kjemisk problem. Et felles forskerteam ledet av Southeast University og Soochow University har nå utviklet en metode som skal gjøre det mulig å produsere slike solceller mer jevnt og stabilt i større skala.

Metoden, som forskerne kaller «decoupled co-deposition», skal hindre at to sentrale bestanddeler reagerer med hverandre for tidlig under produksjonen. Resultatene er publisert i tidsskriftet Science.

To lag må legges samtidig

Produksjonen av de fleksible enhetene krever at et ultratynt transportlag og lysabsorberende perovskittkrystaller avsettes samtidig på et bøyelig underlag. Transportlaget består av en såkalt selvorganiserende monolagfilm, vanligvis forkortet SAM.

Problemet oppsto når forskerne forsøkte å belegge fleksible substrater med de to lagene samtidig. SAM-molekylene og bestanddelene i perovskitten bandt seg for sterkt til hverandre i stedet for å finne sine riktige posisjoner. Resultatet ble ujevne lag med mange defekter, som kunne brytes ned under varme og fuktighet.

Fleksible substrater har dessuten ujevn overflateruhet og varierende tetthet av hydroksylgrupper. Det gjorde standardmetoder for trykking over store arealer lite effektive. En konvensjonell metode for samtidig avsetning kunne bedre overflatens fuktbarhet, men de sterke bindingene mellom transportlaget og perovskittkomponentene forstyrret både festet til underlaget og dannelsen av krystallene.

En kjemisk «frakobler»

For å løse problemet tilsatte forskerne et spesialtilpasset modulatormolekyl til utgangsløsningen. Molekylet inneholder ammoniumioner, jodidioner og to sulfonatgrupper.

Tilsetningen danner sterke chelaterende bindinger med perovskittstrukturen. På den måten blokkeres de uønskede reaksjonene mellom transportmolekylene og perovskittkomponentene. Transportmolekylene kan dermed feste seg raskere til det fleksible underlaget, mens tilsetningen bidrar til å styre krystallveksten og lukke defekter i perovskittlaget.

Forskerne beskriver molekylet som en kjemisk «dommer» som hindrer komponentene i å reagere før tiden. Målet er å optimalisere transportlaget og perovskittlaget samtidig, slik at både virkningsgrad og driftsstabilitet forbedres.

Rekorder for både celler og moduler

Små fleksible solceller oppnådde en tredjepartssertifisert effektivitet på 26,86 prosent. Ved oppskalering nådde modulene følgende effektivitet:

  • 22,31 prosent for paneler på 5 × 5 cm²
  • 20,63 prosent for paneler på 10 × 10 cm²
  • 20,15 prosent for store ark på 30 × 30 cm²

Forskerne rapporterte også gode resultater i en langtidsmåling. En fleksibel enhet på 25 cm² beholdt 92,5 prosent av sin opprinnelige effektivitet på 22 prosent etter 1044 timer med måling ved maksimal effekt. Testen ble gjennomført ved 85 °C og 65 prosent relativ luftfuktighet.

De fleksible modulene overlevde også termiske sjokksykluser fra svært lave temperaturer til ekstrem varme. I tillegg besto de stabilitetsserien i den internasjonale standarden IEC 63163.

«More important, this strategy facilitates the modules to pass the industry-standard IEC 63163 stability series certification, providing an important foundation for the industrial development of flexible perovskite photovoltaics,» uttalte teamet.

Forskerne skal videre arbeide med å forbedre frakoblingsmolekylene, integrere tandemcelledesign og skalere produksjonen for såkalt roll-to-roll-produksjon. Studien beskriver resultatene som et kjemisk grunnlag for videre utvikling av fleksible perovskittmoduler.