Zunehmende Klimaprobleme erfordern bessere Lösungen im Bereich der Nutzung erneuerbarer Energien. Forscher haben nun herausgefunden, dass die Perowskitzelle mit organischer Transportschicht von KAUST einen Wirkungsgrad von 21.5 % erreicht und damit den bisher höchsten Wert übertrifft.
Die König-Abdullah-Universität für Wissenschaft und Technologie (KAUST) in Saudi-Arabien hat eine Perowskit-Solarzelle entwickelt, die auf einer organischen Elektronentransportschicht (ETL) basiert . Zur Verankerung verwendeten die Forscher zudem eine selbstorganisierte Monoschicht (SAM) mit Phosphonsäure.
Die Zelle erreichte unter Standardbeleuchtungsbedingungen einen Wirkungsgrad von rund 21.5 % . Laut dem Forschungsteam ist dies der höchste jemals gemessene Wirkungsgrad einer Perowskit-Solarzelle – und zwar einer solchen mit einer organischen Elektronentransportschicht.
Das Gerät erreicht eine Leerlaufspannung von 1.13 V und eine Kurzschlussstromdichte von 24.7 mA cm 2 . Schließlich weist es einen Füllfaktor von etwa 77 % auf.
Die thermogravimetrische Analyse (TGA) dieser modifizierten Moleküle ergab, dass sie thermisch stabil sind und nur einen geringen Gewichtsverlust aufweisen . Zwischen 356 °C und 268 °C betrug der durchschnittliche Gewichtsverlust lediglich etwa 5 %.
Stefaan De Wolf , Hauptautor der Studie , sagte: „Alle selbstorganisierten Monoschichten wurden so konzipiert, dass sie Löcher sammeln, was für Perowskit-Solarzellen in der Pin-Polaritätsarchitektur gut funktioniert.“
Wir haben hier eine Reihe elektronenselektiver SAMs getestet, die von der Technischen Universität Kaunas entwickelt und synthetisiert wurden. Dabei stellten wir fest, dass diese in Pin-polaren Perowskit-Solarzellen gut funktionieren. Das Konzept der SAM-Dekoration mit Metalloxid zur Anpassung der Ladungsselektivität hat sich somit für beide Polaritäten als gut geeignet erwiesen. Insgesamt bietet dies einige Vorteile, wie zum Beispiel die Möglichkeit der Kontaktherstellung bei niedrigen Temperaturen.
Herstellung der 21.5 % effizienten Perowskit-Solarzelle durch KAUST
- Wissenschaftler verwenden Nicht-Fulleren-Halbleiter aus Anthrachinon (AQ) und Naphthalindiimid (NDI).
- Die beiden verwendeten modifizierten molekularen Versionen waren PAAQ und PANDI.
- Demnach ermöglichte dieses Molekül eine kovalente Bindung mit Indiumzinnoxid-Oberflächen (ITO) innerhalb der Zelle. Dies führte außerdem zu einer energetischen Übereinstimmung mit dem Perowskit.
- Die Zelle besteht aus einer ITO- und Glas-basierten Substrat.
- Dazu gehören auch elektronenselektierende SAMs, eine Lochtransportschicht (HTL) auf Basis von Spiro-OMeTAD und ein Perowskit-Absorber. Außerdem kontaktiert ein Silbermetall eine Schicht aus Molybdänoxid (MoOx).
Die Forscher stellten fest: „Die UV-Vis-Transmissionsmessungen der SAM-Funktionalisierung auf der ITO-Oberfläche zeigen im Vergleich zu unbeschichtetem ITO und ITO/SnO2-Filmen vernachlässigbare optische Verluste.“
„Insbesondere weisen PANDI-basierte SAMs eine höhere Oberflächenhomogenität auf der ITO-Oberfläche auf als PAAQ-SAMs. Wir haben festgestellt, dass die zunehmende Oberflächenhomogenität auf der ITO/PANDI-Grenzfläche die nichtstrahlende Grenzflächenrekombination durch Feldeffektpassivierung wirksam unterdrücken kann, was sich in längeren Ladungsträgerlebensdauern und höheren QFLS-Werten äußert“, fügten sie weiter hinzu.
Die Forscher erklärten weiter: „Wir haben auch die Betriebsstabilität unserer SAM-basierten Geräte bei 65 °C getestet und dabei über 90 Stunden lang eine Beibehaltung von über 1000 % ihrer ursprünglichen Leistung festgestellt.“
Sie betrachten PANDI-SAMs als die vielversprechendsten Kandidaten für zukünftige Perowskit-Solarzellen mit PIN-Strukturen. Dies liegt an ihrer einfachen Aufbringung auf flexible Substrate.
„Das auf PANDI basierende Gerät zeigte zudem eine verbesserte thermische Langzeitstabilität im Betrieb, was bestätigt, dass PANDI SAM ein Zukunftspotenzial für den Einsatz als ETL-Material hat“, schlussfolgerten die Forscher.
