Perowskit-Solarzellen (PSCs) sind vielseitig einsetzbar und daher ein vielversprechendes Gerät für den Alltag. In dieser Studie optimieren Forscher ETL-basierte bifaziale Perowskit-Solarzellen für flexible Geräte mittels Simulation. Der Prozess erfolgt durch die Auswahl der geeigneten vorderen transparenten Elektrode (FTE), Lochtransportschicht (HTL) und hinteren transparenten Elektrode (RTE).
ETL-basierte bifaziale Perowskit-Solarzellen für flexible Geräte
Es wurde beobachtet, dass der Wirkungsgrad der Perowskit-Solarzelle signifikant verbessert wurde . Dies wurde durch eine muldenartige Struktur mit einem geringen Leitungsbandversatz (CBO) an der Grenzfläche zwischen FTE und Perowskit ermöglicht. Allerdings wurde eine Leistungsverringerung durch eine Anhebung des Valenzbandes der HTL festgestellt.
Highlights
- Optimierung des ETL-freien bifazialen Perowskits für flexible Geräte.
- Ein minimaler CBO an der Perowskit-Schnittstelle kann die Geräteleistung verbessern.
- Die Bandlücke und Elektronenaffinität von RTE wirken sich stark auf die Leistung des Geräts aus.
- 1.4 eV Perowskit ist der optimierte Wert.
- Für beide Beleuchtungsbedingungen zeigt das Gerät einen PCE von >27 % an.
Der Wirkungsgrad von Perowskit-Solarzellen hat sich innerhalb eines Jahrzehnts von 3.8 % auf 26.1 % erhöht . Daher haben organisch-anorganische Metallhalogenid-Perowskit-Solarzellen in letzter Zeit viel Aufmerksamkeit erregt.
Die Entwicklung flexibler organischer Solarzellen (PSCs) verzögert sich jedoch aufgrund der hohen Sintertemperatur der Elektronentransportschicht (ETL). Bei invertierten PSCs verwendeten Forscher hauptsächlich [6,6]-Phenyl-C61-Buttersäuremethylester (PCBM) als ETL, um eine hohe Effizienz zu erzielen. Da PCBM teuer ist, erhöht dessen Einsatz in der Zelle die Gesamtkosten.
Anschließend testeten die Forscher ETL-freie PSCs , die sich als die vielversprechendsten und geeignetsten Bauelemente erwiesen. Dieser Ansatz zeichnet sich durch eine einfache Konfiguration aus und vermeidet aufwendige Vorbereitungsarbeiten, wodurch Zeit- und Energieaufwand reduziert werden.
Kurzinfo : Liu et al. entwickelten den ersten PCE mit 13.5%.
Die aktuellen PCE-Zellen weisen einen Wirkungsgrad von 20–22 % auf, hinken aber aufgrund der unausgeglichenen Ladungsübertragungsrate immer noch hinterher.
Grund : Fehlendes permanentes integriertes Feld, wenn ETL nicht vorhanden ist.
Verschiedene Ansätze berücksichtigen
Die Forscher erwogen den Einsatz von Konzentratoren, PV-Materialien mit zwei oder mehr unterschiedlichen Bandlücken in Tandemanordnung und einen bifazialen Ansatz. All dies zielt darauf ab, die Leistung des Geräts zu verbessern und eine breite Akzeptanz der Technologie zu fördern. Da das bifaziale Design einfach und kostengünstig ist, erhöht es die Effizienz der Energieumwandlung bei etwas höheren Kosten durch Hinzufügen einer transparenten Rückseitenelektrode.
Durch die Installation transparenter Elektroden kann Licht von beiden Seiten in das System einfallen. Dadurch können bifaziale Solarmodule potenziell einen um über 30 % höheren Wirkungsgrad (PCE) im Vergleich zu monofazialen Modulen erreichen. Dieser Wirkungsgrad wird jedoch von verschiedenen Faktoren beeinflusst, wie beispielsweise dem Neigungswinkel, dem Reflexionsgrad der Bodenoberfläche und der Höhe über dem Boden. Die Kombination der Vorteile bifazialer und flexibler Solarzellentechnologie kann zudem zu effizienten und vielseitigen Solarenergieanlagen führen.
Anwendungen von ETL-freien, flexiblen bifazialen PSCs :
- Faltbare Markise an den Geschäften
- Faltbare Fensterabdeckungen
- Auf den Segeln
- Oder ein Sonnenschirm am Strand
Flexible PSCs können im Rolle-zu-Rolle-Verfahren verarbeitet und mit kostengünstigen flexiblen Schichten verkapselt werden. Obwohl flexible bifaziale PSCs eine neue Technologie darstellen und sich noch in der Forschung und Entwicklung befinden, wurden bereits bemerkenswerte Fortschritte erzielt.
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Mithilfe der Simulation konnten Forscher die gewünschten Parameter oder Eigenschaften der hinteren transparenten Elektrode (RTE) leicht erreichen. Dies ermöglichte ihnen, die optimale Leistung des Geräts zu erzielen. In der vorliegenden Simulationsarbeit haben Forscher ETL-freie bifaziale Elektroden gemäß der folgenden Abbildung nachgebildet.
Durch die Untersuchung flexibler Solarzellen mit unterschiedlichen Elektroden, Grenzflächendefektschichten und Lochtransportschichten entdeckten Forscher die Bandstruktur und Potenzialbarrieren, die zur Verbesserung der Gesamtleistung beitragen. Darüber hinaus erreichten sie unter verschiedenen Bedingungen einen Wirkungsgrad von über 27 %, indem sie die Bandlücke des Perowskit-Absorbers auf 1.4 eV optimierten.
Aufbau des Gerätes und Simulationsparameter ETL-basierter Perowskit
- Zur Simulation des vorgeschlagenen Geräts verwendeten die Forscher das eindimensionale Solar Cell Capacitance Simulator-Paket (SCAPS-1D).
- Außerdem wurde für die Entwicklung eines bifazialen Geräts aus einem validierten Gerät Au durch eine transparente Elektroden-Verbundschicht aus Cu/Cu2O ersetzt.
- Als FTE wurde passiviertes FTO (PFTO) verwendet.
Resultate und Diskussion
Auswirkungen der vorderen transparenten Elektrode (FTE)
In ETL-freien Perowskit-Solarzellen (PSCs) sollte die Feldemissionselektrode (FTE) eine hohe Transparenz und eine verbesserte Bandanpassung für einen effizienten Ladungstransport aufweisen. Forscher haben verschiedene FTEs untersucht, darunter Zirkonium-dotiertes In₂O₃ (Zr:In₂O₃), ITO, Aluminium-dotiertes ZnO (Al:ZnO) und passiviertes/modifiziertes FTO (PFTO). Bei niedrigeren Temperaturen lassen sich diese Elektroden leicht auf einem flexiblen Substrat abscheiden.
Aus dem folgenden Banddiagramm geht hervor, dass CBO an der FTE-Schnittstelle, die nahe 0 liegt, einen höheren PCE aufweist. Die Richtung eines elektrischen Felds an ITO ist der HTL-Schnittstelle entgegengesetzt, was für einen effizienten Ladungstransport ungeeignet ist.
Dies gilt als potenzielle Barriere für den Elektronenfluss zu FTEs. Geräte mit einem niedrigeren CBO-Wert weisen gemäß dem Rekombinationsprofil eine geringere Rekombination an der FTE-Grenzfläche auf. Die Elektronenaffinität von FTE nimmt mit einer negativen CBO-Änderung an der FTE-Grenzfläche zu. Dies ist auf die unterschiedliche Elektronenaffinität zwischen benachbarten Schichten zurückzuführen.
Mit zunehmender Dicke der FTE-Schichten sinkt der PCE des Geräts bei Beleuchtung von der FTO-Seite. Bei der Beleuchtung von hinten wurden jedoch keine signifikanten Änderungen beobachtet.
KAUST präsentiert 33.7% effiziente und stabile Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen.
Wirkung der Lochtransportschicht (HTL)
Für diese Studie wurden verschiedene HTLs wie DM, Cul, Cu2O und CuSCN auf dem Leistungsreferenzgerät verwendet. Das folgende Energiebanddiagramm zeigt die modifizierte Bandausrichtung an Perowskit- oder HTL- und HTL/RTE-Grenzflächen. Bei Beleuchtung von hinten zeigt die Rekombination in Cul- und CuSCN-Geräten die gleichen SRH-Rekombinationsprofile. Die Wahrscheinlichkeit einer direkten Rekombination ist mit höheren Valenzniveaus der angrenzenden Schicht höher.
Einfluss von Grenzflächendefektschichten
Beim thermischen Ausheilen werden Grenzflächendefekte sichtbar. Diese Defekte treten vermehrt auf, wenn die Grenzfläche Sauerstoffleerstellen, Gitterfehlanpassungen oder eine nicht stöchiometrische Zusammensetzung aufweist. Die Studie beschreibt drei Arten von Grenzflächendefekten :
- HTL/Rückelektrode: Entsteht durch die Reaktion der Rückelektrode mit HTL in Gegenwart von Sauerstoff.
- TCO/Perowskit: Ein Defekt in dieser Schnittstelle führt zu Sauerstoffleerstellen.
- Perowskit/HTL: Jeder Defekt hier führt zu einer Gitterfehlanpassung.
- Bei einer Defektdichte von weniger als 10^16 cm−3 bleibt der PCE des Geräts unverändert. Es weist eine geringere Rekombinationsrate in der Grenzflächenschicht auf.
- Bei einer Konzentration über 10^16 cm−3 steigt die Rekombinationsrate, was die Effizienz des Geräts verringert.
- Mit zunehmender Dicke der Grenzflächendefektschicht nimmt der PCE des Geräts linear ab. Dies führt zu einer Erhöhung der Rekombinationsrate im IDL-Bereich.
Dieses Phänomen unterstützt die Forderung, Defekte an der PFTO/Perowskit-Grenzfläche durch Passivierung oder andere geeignete Verfahren zu reduzieren. Meistens wird die Oberflächenpassivierung bevorzugt, um die Oberflächenmorphologie zu verändern.
Wirkung der hinteren transparenten Elektrode (RTE)
Diese Elektrode spielt eine wichtige Rolle für die Gesamtleistung bifazialer Perowskit-Solarzellen . Zwei Hauptfaktoren, die die Leistung bifazialer Solarzellen beeinflussen, sind die Elektronenaffinität und die Bandlücke. Bifaziale Perowskit-Solarzellen weisen im Vergleich zu ihren einseitigen Pendants einen geringeren Wirkungsgrad auf, was sich maßgeblich auf den Strahlungstransporteffekt (RTE) auswirkt. Mit zunehmender Bandlücke des Strahlungstransporteffekts (RTE) ändert sich das Valenzbandpotential (VBO) an der Grenzfläche zwischen Lochtransportschicht (HTL) und Strahlungstransporteffekt (RTE) von negativ zu positiv.
Unter beiden Beleuchtungsbedingungen zeigt das Bauelement einen maximalen Wirkungsgrad (PCE) bei einer Valenzbandkante (VBO) von +0.29 eV (Bandlücke ~2.4 eV). Bei einer Elektronenaffinität von 3.3 eV für beide Beleuchtungsarten und einer VBO von +0.13 eV an der HTL/RTE-Oberfläche verbessert sich die Leistung des Bauelements.
Mit zunehmender Elektronenaffinität der RTE verschiebt sich die VBO zwischen HTL/RTE ins Positive. Die Studie zeigt, dass das NAN-basierte Gerät eine höhere PCE bei Rückbeleuchtung aufweist. Dies deutet auf eine reduzierte elektrische Feldstärke in negativer Richtung in NAN-basierten Geräten an der HTL/RTE-Schnittstelle hin. Darüber hinaus steigt die PCE des Geräts mit zunehmender Austrittsarbeit an, und bei großen Austrittsarbeiten werden sie gesättigt.
In einer weiteren Studie wurde ein Perowskit-Silizium-Tandem-Solarmodul von PeroNova mit einem Wirkungsgrad von 28 % vorgestellt.
Optimierung der Perowskitschicht
Wie oben erläutert, haben wir verschiedene Gerätekombinationen mit unterschiedlichen FTE-, HTL- und RTE-Werten simuliert. Die Ladungsträgererzeugung nimmt mit zunehmender Perowskit-Absorberschicht ab. Im Gegensatz dazu steigt die VOC mit zunehmendem eingebauten Potenzial der Absorberschicht. Das PCE-Gerät erreicht eine optimierte Bandlücke von 1.4 eV. Weitere Werte sind wie folgt:
- Frontbeleuchtung PCE 24.65 %
- Rückbeleuchtung PCE 25.48 %
Die Defektdichte der Perowskit-Absorberschicht wurde von 8.0 × 10^14 cm−3 auf 1.0 × 10^14 cm−3 reduziert . Dies führt zu einer Steigerung des Wirkungsgrades (PCE) des Bauelements auf 26.27 % bzw. 26.45 % bei Vorder- bzw. Rückseitenbeleuchtung.
Darüber hinaus konnte durch Optimierung der Dicke der Absorberschicht auf 800 nm und anschließende Verringerung der Defektdichte auf 1.0 × 1014 cm−3 der Wirkungsgrad des Bauelements auf 26.88 % (Frontbeleuchtung) bzw. 27.35 % (Rückbeleuchtung) gesteigert werden .
Schlussfolgerungen
Daraus schlussfolgern die Forscher, dass ein Simulationspaket zur Optimierung ETL-freier bifazialer PSCs eingesetzt werden sollte. Durch die Untersuchung des Einflusses verschiedener Materialien auf die Leistung des Geräts wurde festgestellt, dass bestimmte Materialien aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften die Leistung verbessern. Darüber hinaus sind Bandlücke, Defektdichte und Dicke wichtige Faktoren für die Perowskit-Absorberschicht. So wurde mit einer optimierten Konfiguration für Rück- und Frontbeleuchtung ein Wirkungsgrad von über 27 % erreicht.
