Neben der Effizienz ist die Stabilität seit langem ein Problem bei Perowskit-PVs und ihren praktischen Anwendungen. Bislang sind solche stabilen Materialien für die Photovoltaik und die Datenlage dazu unzureichend. Forscher testen verschiedene Materialien, um bessere Erkenntnisse zu gewinnen. In dieser Forschungsstudie werden die ultrastabilen und effizienten Dion-Jacobson-Perowskit-Solarzellen für Photovoltaikanwendungen getestet.
Dem Team ist es gelungen, mit einer skalierbaren Technologie beschichtete Solarzellen für Dion-Jacobson (DJ)-Perowskite zu entwickeln, die unter verschiedenen Umgebungsbedingungen einen Wirkungsgrad von rund 19.11 % erreichten.
Ziel der Studie – Systematische Untersuchung der Schlüsselfaktoren für die Stabilität von DJ-Materialien. Entwicklung von Richtlinien für die Entwicklung stabiler DJ-Perowskite für stabilisierte und effiziente skalierbare Solarzellen.
Leistung ultrastabiler und effizienter Dion-Jacobson-Perowskit-Solarzellen
Zweidimensionale Perowskite werden aufgrund ihrer vorteilhaften photophysikalischen und inhärenten Struktureigenschaften gegenüber dreidimensionalen Perowskiten bevorzugt. DJ-Perowskite mit ditopischen Diammonium-Kationen verstärken die Verbindung zwischen den anorganischen Schichten und erhöhen die Steifigkeit der Struktur. Dies trägt zusätzlich zu ihrer Stabilität bei. Verschiedene Studien an Ruddlesden-Popper- (RP) und Dion-Jacobson- (DJ) Perowskiten zeigen, dass letztere in der Atmosphäre weniger stabil sind.
Beispielsweise wurde bei den auf 1,4-Phenylendiammonium und m-Phenylendiammonium basierenden DJ-Perowskiten innerhalb weniger Stunden eine schlechte Feuchtigkeitsstabilität beobachtet.
Die Strukturanalyse zeigt, dass diese Materialien eine einzigartige Quantenstruktur der Zwischenschichtverschiebung und eine besondere Konfiguration der Quantentöpfe aufweisen , wodurch sie sich von anderen DJ-Perowskiten unterscheiden. Dies führt zu einem geringeren Zwischenschichtabstand und optimiertem Ladungstransport sowie verbesserter struktureller Integrität in der Zwischenschicht.
Bei Zwischenschichtkationen erhalten Cycloalkyl-Organokationen die Elektronegativität und Flexibilität der Moleküle. Sie bieten zudem Vorteile gegenüber Alkyl- und Aryl-Organokationen . Gitterspannungen werden dadurch effektiv minimiert, was letztendlich zu einer insgesamt höheren Strukturstabilität führt.
Highlights
- Einführung einer neuen Serie von DJ (CDMA 1, 4-Cyclohexandimethanammonium, n≥1) (MA)n-1Pbn3n+1 für stabile und effiziente Solarzellen.
- Diese nicht gekapselten Zellen behielten unter Alterungsbedingungen von ca. 92 % relativer Luftfeuchtigkeit (RH) über 4000 Stunden lang 90 % ihrer Effizienz.
- Diese Zellen weisen eine Betriebs- und Wärmestabilität von 85 °C auf.
- Kein Effizienzverlust nach 5000-stündiger Behandlung.
- Kein Effizienzverlust nach Betrieb bei 45 °C maximalem Leistungspunkt (MPPT) für über 6000 Stunden bei Dauerlicht (100 mW cm-2).
Der Prozess der Forschung
Mithilfe der skalierbaren Blade-Beschichtungstechnik wurde das Potenzial von DJ-Perowskiten für großflächige Solarzellen demonstriert. Die Referenzsolarzellen verwendeten den nominalen n=5 PDMA DJ-Perowskit. Diese sind für ihre verbesserte Bauteilstabilität bekannt und weisen ähnliche organische Molekülkonfigurationen auf.
| Eigenschaften der Zellen | Referenzgerät | Nominales Gerät n = 5 CDMA-basierte Perowskit-Solarzellen |
| PCE | 14.87% | 19.11% |
| Leerlaufspannung (VOC) | 1.06 V | 1.16 V |
| Kurzschlussstromdichte (JSC) | 18.32 mA cm−2 | 20.41 mA cm−2 |
| Füllfaktor | 76.46% | 80.56% |
Die höchste Effizienz für mit einem Rakelverfahren hergestellte 2D-Perowskite wird laut den Forschern mit dem Wirkungsgrad (PCE) von CDMA erreicht . Die folgende Abbildung zeigt die Stromdichte-Spannungs-Kennlinien (JV-Kennlinien) der DJ-Solarzellen.
Externe Quanteneffizienz (EQE)
Die Forscher maßen die Kurzschlussstromdichte (JSC) des Bauelements mit EQE. Das PDMA-Bauelement wies eine geringere EQE auf als das CDMA-Bauelement. Im sichtbaren Lichtabsorptionsbereich betrug die JSC von PDMA 17.57 mA cm⁻² und die von CDMA 19.58 mA cm⁻² . Diese Werte stimmten mit der unter dem Sonnenstimulator gemessenen JSC überein.
Stabilität der Solarzellen unter verschiedenen Bedingungen
Darüber hinaus untersuchten die Forscher die Stabilität dieser Zellen gegenüber Hitze, Lichtbelastung und Feuchtigkeit.
Leichte Belastung
Die Betriebsstabilität wurde in einer Handschuhbox mit Stickstoffatmosphäre mittels MPPT-Tracking unter einer simulierten weißen LED (Leuchtdiode) überprüft. Der Test erfolgte bei ca. 1 °C über mehr als 45 Stunden Alterung ohne Abwärtstrend.
- PDMA – PCE um ca. 30 % reduziert.
- CDMA – Leichte Schwankungen um ihre anfängliche Effizienz.
Hitze
Die thermische Stabilität der Solarzellen wurde auf einer Heizplatte bei 85° C überprüft.
- PDMA – 50 % Rückgang der ursprünglichen Effizienz.
- CDMA – Vernachlässigbare Effizienz auch nach 5000 Stunden.
Dies bestätigt die überlegene Wärmetoleranz von CDMA-Perowskitzellen.
Feuchtigkeit
Die nicht eingekapselten Solarzellen wurden in einer Kammer mit konstanter Luftfeuchtigkeit von etwa 90 % relativer Luftfeuchtigkeit bei etwa 22 °C gelagert. Dies hat die folgenden Auswirkungen auf beide Geräte.
- PDMA – Schneller Abfall des PCE auf Null nach 500 Stunden Alterung.
- CDMA – Zeigt nach 92 Stunden Alterung eine Anfangseffizienz von etwa 4394 %.
Beim Vergleich der gealterten Geräte stellten wir fest, dass die aktive Schicht der PDMA-basierten Geräte farblos geworden ist, während die CDMA-basierten Geräte keine sichtbare Verfärbung aufweisen. Dies bestätigt, dass CDMA-DJ-Perowskite eine hohe Feuchtigkeitstoleranz aufweisen. Laut der unten gezeigten konsolidierten Abbildung ist die CDMA-Serie laut den Forschern die beste zwischen 2D- und 3D-Perowskit-Solarzellen.
Geräteeigenschaften
Charakterisierung des Geräts
Die folgende Abbildung zeigt die statistische Verteilung des berechneten Hysteresefaktors. Er wurde anhand des PCE von PDMA- und CDMA-Solarzellen gemessen. Dies deutet auf eine relativ geringe und stabile Hystereseverteilung bei CDMA hin, was zur Herstellung stabiler und skalierbarer Solarzellen für praktische Anwendungen beitragen könnte.
Charakterisierung der Perowskitfilme
Die Forscher verwendeten Top-View-Rasterelektronenmikroskopie (SEM), um die Morphologie von Perowskitfilmen zu untersuchen.
Den Beobachtungen zufolge wiesen PDMA- Perowskitfilme eine gleichmäßige Korngrößenverteilung auf. Im Gegensatz dazu zeigte CDMA eine deutliche Vergrößerung der Korngrößen sowie kleine, zweidimensionale Strukturen, die die entsprechenden Korngrenzen bedeckten. Dies deutet möglicherweise auf eine Selbstpassivierung der Grenzfläche hin, die die Stabilität gewährleistet. Darüber hinaus ermöglicht dies UV-Vis-Absorptionsspektroskopie und Röntgenbeugungsmessungen der Rakelbeschichtung.
CDMA-Filme weisen eine relativ geringere Halbwertsbreite (FWHM) sowie eine höhere Intensität der Beugungspeaks auf. Dies deutet gemäß der Scherrer-Gleichung auf eine verbesserte Kristallinität und vergrößerte Korngrößen hin.
Gemäß den UV-Vis-Absorptionsspektren weisen beide DJ-Perowskitfilme eine zweidimensionale Phasenverteilung auf. Die hohe Intensität von CDMA deutet jedoch auf eine ausgeprägte zweidimensionale Phasenverteilung hin, die sich positiv auf die kurzwellige Absorption und die Filmstabilität auswirkt.
Die Beobachtung der Weitwinkel-Röntgenstreuung unter streifendem Einfall (GIWAXS) zeigt, dass CDMA relativ starke und diskrete Bragg-Flecken aufweist. Dies deutet auf eine bessere Kristallisation hin, die den Ladungstransport begünstigt.
Eine Studie von Wissenschaftlern der HKUST kommt zu dem Schluss, dass das Entfernen von Vertiefungen die Stabilität von Perowskitfilmen verbessert.
Charakterisierung von Dehnung und Stabilität von DJ Perovskite Films
Die Forscher wählten zwei Tiefen aus, um die Restspannung in beiden Bauelementen anhand der durch die TA-Charakterisierung ermittelten Phasenverteilung zu untersuchen. Im Material wurde ein oberflächlicher Bereich mit 3D-ähnlichen Phasen und eine hohe Konzentration an 2D-Perowskiten in einer tieferen Region beobachtet. Gemäß der Abbildung unten erfolgte die Röntgenbeugung unter streifendem Einfall (GIXRD) von PDMA-Perowskitfilmen relativ zur (310)-Kristallebene.
Mit zunehmendem Ψ (0° bis 45°) verschoben sich die Beugungspeaks nach rechts . Dies deutet auf eine allmähliche Verringerung des Kristallgitterebenenabstands und auf eine Druckspannung im Film hin.
In Bereichen mit hohem Anteil an 2D-Perowskit zeigen PDMA-Filme eine Linksverschiebung, gefolgt von einem Anstieg der Ψ-Werte. Der Verlauf der Variation weicht geringfügig von der linearen Anpassungsrichtung ab. Dies deutet auf eine ungleichmäßige Verteilung der 2D-Perowskitphasen hin, was die Stabilität und Leistung des Bauelements negativ beeinflusst. Im Gegensatz dazu ist in CDMA-Filmen in beiden Bereichen eine vernachlässigbare Verschiebung bei gleichzeitigem Anstieg von Ψ zu beobachten.
Die Ergebnisse nach Berechnung der Restspannung mittels Williamson-Hall-Diagrammen waren konsistent. Dies deutet darauf hin, dass DJ-Perowskit nahezu restspannungsfrei ist und diese Eigenschaft zu seiner Stabilität beiträgt.
Nach einmonatiger Lagerung wandelte sich die schwarze Phase des Films vollständig in eine Phase mit breiter Bandlücke um. Im Gegensatz dazu wurde bei CDMA-Filmen nach 100-tägiger Lagerung eine bemerkenswerte Feuchtigkeitsstabilität ohne Anzeichen von Verunreinigungs-Beugungspeaks beobachtet.
Zusätzlich wurde die Wasserbeständigkeit der Filme durch Messung der Wasserkontaktwinkel auf der Filmoberfläche untersucht. CDMA weist einen großen Wasserkontaktwinkel (51°) auf , PDMA hingegen kleinere (41°) . Dies deutet auf eine hohe Wasserbeständigkeit der CDMA-Perowskitfilme hin. Die in der Abbildung unten dargestellten dynamischen Kontaktwinkelkurven bestätigen die ausgezeichnete Beständigkeit der CDMA-Perowskitfilme gegenüber Staunässe.
Fazit
Forscher entdeckten, dass die Einbindung flexibler organischer Kationen in die Zwischenschichtverschiebung die strukturelle Stabilität der DJ-Perowskit-Konfiguration verbessern kann. Darauf aufbauend entwickelten die Forscher eine Reihe von Zwischenschichtverschiebungs-DJ-Perowskiten. Die Materialien wurden anschließend im Klingenbeschichtungsprozess eingesetzt. Dadurch wurden höhere Effizienz und Stabilität erreicht. Darüber hinaus wurde in Alterungstests eine minimale Verschlechterung des Geräts festgestellt.
Insgesamt kommen die Forscher zu dem Schluss, dass die neu entwickelte Serie das Potenzial hat, stabile 2D-Perowskite zu konstruieren, die für verschiedene Anwendungen eingesetzt werden können.
