Ökad praktisk livskraft för perovskitsolceller med amidinium

Att göra den bästa soltekniken hållbar

De flesta solpaneler bygger på två teknologier: polysilicon, som utgör majoriteten av dem, och tunnfilm av kadmiumtellurid. Det finns dock ett tredje sätt att tillverka fotovoltaiska system, som använder ett mineral som heter perovskit.

Detta är gjort av kalciumtitanoxid, och denna teknik har gjort enorma framsteg de senaste åren. Från laboratorieprototyper med bara 3,8 % ljus‑till‑energi‑omvandlingseffektivitet år 2009, de nådde 33,9% år 2024 för en design av LONGi Green Energy Technology.

Dock har perovskitsolpaneler ett stort problem: hållbarhet. De flesta perovskitsolceller håller bara några år. Detta utesluter dem från att användas i någon kommersiell miljö, eftersom det förstör lönsamheten för dessa system, även med högre effektivitet och lägre produktionskostnader.

Så länge de inte kan jämföras med polysilicons hållbarhet på 2–3 decennier, kommer perovskiter att vara dömda till nischapplikationer och laboratorieprototyper, och gå miste om det mesta av den “nya solåldern” som redan är här.

Det är därför tillkännagivandet av ett sätt att förbättra perovskitens stabilitet trefalt är en stor sak. Det gjordes av forskare vid Northwestern University (USA), Griffith University (Australien) och University of Toronto (Kanada), som publicerade sina resultat i den prestigefyllda tidskriften Science under titeln “Amidination of ligands for chemical and field-effect passivation stabilizes perovskite solar cells¹.”

Fördelar med perovskiter

De största fördelarna med perovskit är dess låga kostnad och möjligheten att ”skriva ut” solceller. En stor drivkraft för den lägre kostnaden är att den kan produceras vid rumstemperatur, jämfört med kisel som kräver hundratals grader.

Perovskitceller är också flexibla, vilket öppnar nya tillämpningar som biltak och drönare. De absorberar också en större del av solens ljus, vilket leder till högre teoretisk effektivitet, på upp till 40 %.

Titan är också en relativt riklig metall, så den är ett bättre alternativ till kisel än kadmiumtellurid. Emellertid är potentiell läckage av tunga metaller, särskilt bly, ett bekymmer som också måste åtgärdas.

Källa: Research Gate

Det bör också noteras att kisel‑perovskit‑tandemceller, som den som utvecklats av LONGi, är ett alternativ till enbart perovskitsystem.

Skydda perovskiter från nedbrytning

Vanligtvis använder perovskitsolceller ett ammoniumbaserat beläggningsskikt för att förbättra effektiviteten. Även om det är effektivt, bryts ammoniumbaserade skikt ner under miljöstress, inklusive värme och fukt. Detta beror på att ammoniummolekylen tenderar att sönderfalla under intensiv värme och vatten.

Källa: Frontiers

Detta är naturligtvis långt ifrån idealiskt för verklig användning av solpaneler, som måste klara regn och varma sommardagar.

Här fann forskarna i denna studie en lösning, genom att använda en annan typ av kvävebaserad förening: amidinium. Amidinium är den jon som bildas från amidiner.

Källa: Wikipedia

Detta är ett avsteg från tidigare forskning på perovskiter, som fokuserade på att förbättra perovskiternas egen stabilitet. Istället försöker detta förbättra de skyddande lagren.

Radikal förbättring

Inte bara förbättrade detta nya tillvägagångssätt motståndskraften hos beläggningen ovanpå perovskitcellerna, utan det ökade också den övergripande hållbarheten hos solpanelen.

“Den nya beläggningen var 10 gånger mer motståndskraftig mot nedbrytning jämfört med konventionella ammoniumbaserade beläggningar. Ännu bättre: de amidiniumbelagda cellerna tredubblade också cellens T₉₀-livslängd — den tid det tar för en cells effektivitet att sjunka 90 % av sitt ursprungliga värde när den utsätts för hårda förhållanden.”

Bin Chen –  Forskningsadjungerad professor i kemi vid Northwestern

Bygga på tidigare innovation

Detta är långt ifrån den första genombrottet för detta forskarteam.

Ett annat medförfattares team, Ted Sargent, utvecklade 2022 en perovskitsolcell som slog rekord för energieffektivitet och spänning.

År 2023 introducerade hans team en perovskitsolcell med en inverterad struktur, vilket också förbättrade dess energieffektivitet. De integrerade även vätskekristaller för att minimera defekterna i perovskitfilmer, vilket ledde till förbättrad enhetsprestanda.

Det bör också noteras att denna studie inte bara gjordes av akademiker, utan stöddes av både det privata företaget First Solar (FSLR ), samt offentliga institutioner som Department of Commerce, National Institute of Standards and Technology och U.S. Department of Energy.

Investera i solenergi

Produktionen av solenergi växer ständigt med tvåsiffrig takt och kommer att bli en nyckelfaktor för att avkolonisera ekonomin. Den har fortfarande en mycket lång väg kvar, med den överväldigande majoriteten av vår globala elproduktion, och ännu mer total energi, som kommer från fossila bränslen.

Genom åren har sektorn utvecklats för att belöna de största företagen, där stordriftsfördelar är en nyckelfaktor för att kunna generera vinst i en mycket konkurrensutsatt miljö. Med naturligtvis nya teknologier som en potentiell störningsfaktor för etablerade polysilicontillverkare.

Du kan investera i solenergiföretag genom många mäklare, och du kan hitta här, på securities.io, våra rekommendationer för de bästa mäklarna i USA, Canada, Australia, UK, samt många andra länder.

Om du inte är intresserad av att välja specifika solenergiföretag, kan du också titta på ETF:er som Global X Solar ETF (RAYS), Invesco Solar ETF (TAN), eller Global X China Clean Energy ETF (2809.HK) som ger en mer diversifierad exponering för att kapitalisera på sol- och ren energibranschen.

Du kan också läsa vår artikel om “Top 10 Solar Power Stocks to Invest In”.

Solföretag

First Solar är den största tillverkaren av solpaneler i USA och i hela västra hemisfären, med tillverkningsanläggningar i USA, Malaysia och Vietnam.

Företaget använder inte den klassiska kristallina kiselteknologin utan använder dess egna tunnfilm-fotovoltaik. Baserade på kadmiumtellurid är de mer effektiva, produceras till en lägre kostnad och kan enkelt massproduceras. Tunnfilmsolpaneler är också mer hållbara och behåller 89 % av den ursprungliga prestandan efter 30 år.

Källa: First Solar

Kadmium och tellurid är biprodukter från brytning av andra metaller, vilket innebär att First Solar-produkter har minimal påverkan, genom att använda resurser som tidigare hade liten nytta. Tunnfilmspaneler kan också ha en hög återvinningsgrad.

First Solars teknologiska fördel, kombinerat med dess geografiska läge, gör det till den sannolika fördelaktiga parten i den växande drivkraften för västländer att köpa sina paneler från utanför Kina.

Företaget ökar snabbt sin produktionskapacitet och siktar på att nå en namngiven kapacitet på 25 GW år 2026, från de nuvarande 11 GW.

Med tanke på dess engagemang i den forskning som diskuteras här, är företaget också tydligt intresserat av perovskit, åtminstone så snart dessa paneler är tillräckligt hållbara. Det kommenterade särskilt i sin investerarpresentation att perovskit bör ha en “utvecklingslinje förberedd för att producera tekniksamples som simulerar tillverkningsliknande förhållanden under Q4 2024”.

First Solar har spenderat sammanlagt 2 miljarder dollar på F&D sedan starten.

Sammanfattningsvis är First Solar en teknologiledare som kan dra nytta av tullar på kinesiska importvaror, något som sannolikt kan kompensera den negativa effekten på solenergiindustrin från Trumps återval.

Även om fokus hittills mest har legat på tunnfilmsol med kadmiumtellurid, kan dess expertis inom icke‑kiselbaserad solpanelstillverkning ge den ett betydande försprång med perovskit, särskilt med tanke på dess djupa kopplingar till några av de främsta forskarna inom detta område.

Studierreferens:

^{1. Yang, Y., et al. (2024). Amidination of ligands for chemical and field-effect passivation stabilizes perovskite solar cells. Science, 386(898–902). https://doi.org/10.1126/science.adr2091}