Forscher sagen, dass sie eine große Fabrikationsherausforderung für Perowskit-Zellen gelöst haben - die faszinierenden potenziellen Herausforderer für Silizium-basierte Solarzellen.

Diese kristallinen Strukturen sind vielversprechend, weil sie fast alle Wellenlängen des Lichts absorbieren können. Perowskit-Solarzellen werden bereits im kleinen Maßstab kommerzialisiert, aber die jüngsten enormen Verbesserungen in ihrer Leistungsumwandlungseffizienz (PCE) machen Interesse daran, sie als kostengünstige Alternativen für Solarzellen zu verwenden.

In der Zeitung in Nanoskalazeigt das Forscherteam ein neues, skalierbares Mittel, um eine kritische Komponente auf Perowskit-Zellen anzuwenden, um einige wichtige Herstellungsherausforderungen zu lösen. Die Forscher setzten die kritische Elektronentransportschicht (ETL) in Perowskit-Photovoltaikzellen auf eine neue Art und Weise ein - Sprühbeschichtung -, um dem ETL eine überlegene Leitfähigkeit und eine starke Grenzfläche mit seiner Nachbarschicht, der Perowskitschicht, zu verleihen.

Die meisten Solarzellen sind "Sandwiches" aus Materialien, die so geschichtet sind, dass, wenn Licht auf die Oberfläche der Zelle trifft, Elektronen in negativ geladenem Material angeregt werden und ein elektrischer Strom aufgebaut wird, indem die Elektronen zu einem Gitterwerk von positiv geladenen "Löchern" bewegt werden Perowskit-Solarzellen mit einer einfachen planaren Orientierung, genannt Pin (oder Nip, wenn invertiert), der Perowskit bildet die lichteinfangende intrinsische Schicht (das "i" im Pin) zwischen der negativ geladenen ETL und einer positiv geladenen Lochtransportschicht (HTL).

Wenn die positiv und negativ geladenen Schichten getrennt sind, verhält sich die Architektur wie ein subatomares Spiel von Pachinko, bei dem Photonen von einer Lichtquelle instabile Elektronen von der ETL ablösen, wodurch sie zur positiven HTL-Seite des Sandwichs fallen. Die Perowskitschicht beschleunigt diesen Fluss.

Während Perowskit wegen seiner starken Affinität sowohl für Löcher als auch Elektronen und seiner schnellen Reaktionszeit eine ideale intrinsische Schicht bildet, stellt die Herstellung im kommerziellen Maßstab eine Herausforderung dar, teilweise weil es schwierig ist, eine gleichmäßige ETL-Schicht über der kristallinen Oberfläche des Perowskits wirksam aufzubringen.

Die Forscher wählten die Verbindung [6,6] -Phenyl-C (61) -Buttersäuremethylester (PCBM) wegen ihrer Erfolgsbilanz als ETL-Material und weil PCBM in einer rauhen Schicht aufgetragen die Möglichkeit einer verbesserten Leitfähigkeit bietet, weniger durchdringbar Schnittstellenkontakt und verbessertes Lichtfallen.

"ETL-Optionen für das Planarpin-Design sind noch wenig erforscht", sagt André D. Taylor, Associate Professor an der Tandon School of Engineering an der New York University. "Die zentrale Herausforderung in planaren Zellen besteht darin, wie sie tatsächlich so zusammengefügt werden, dass die angrenzenden Schichten nicht zerstört werden."

Die am weitesten verbreitete Methode ist das Schleudergießen, bei dem die Zelle gedreht wird und die Zentripetalkraft die ETL-Flüssigkeit über das Perowskit-Substrat verteilt. Diese Technik ist jedoch auf kleine Oberflächen beschränkt und führt zu einer inkonsistenten Schicht, die die Leistung der Solarzelle verringert. Das Schleudergießen ist auch für kommerzielle Produktion von großen Solarpaneelen durch solche Verfahren, wie Rolle-zu-Rolle-Herstellung, für die die planare Perowskitarchitektur mit flexiblem Stift ansonsten gut geeignet ist, nicht geeignet.

Die Forscher wandten sich stattdessen der Sprühbeschichtung zu, die den ETL großflächig gleichmäßig aufträgt und sich für die Herstellung großer Solarzellen eignet. Sie berichteten von einem Effizienzgewinn von 30 Prozent gegenüber anderen ETLs - von einer PCE von 13 Prozent bis über 17 Prozent - und weniger Defekten.

"Unser Ansatz ist prägnant, hoch reproduzierbar und skalierbar. Es deutet darauf hin, dass die Beschichtung des PCBM-ETL eine breite Anziehungskraft auf die Verbesserung der Effizienzbasis von Perowskit-Solarzellen haben könnte und in naher Zukunft eine ideale Plattform für rekordbrechende Pin-Perowskit-Solarzellen bieten würde ", fügt Taylor hinzu.

Weitere Koautoren sind von der Universität für Elektronische Wissenschaft und Technologie Chinas, der Peking Universität, der Yale Universität und der Johns Hopkins Universität.

Die Stiftung der Nationalen Naturwissenschaftlichen Stiftung Chinas (NSFC), die Stiftung für Innovationsforschungsgruppen der NSFC, der Chinese Scholarship Council und die US National Science Foundation stellten Mittel für die Studie zur Verfügung.

Quelle: New York University

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