Toenemende klimaatproblemen vereisen betere oplossingen in termen van apparaten voor het oogsten van hernieuwbare energie. Om de hoogste ooit gemeten waarde te verslaan, onthullen de onderzoekers dat de organische transportlaag perovskietcel van KAUST 21.5% efficiënt is.
De King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) in Saoedi-Arabië heeft een perovskiet-zonnecel ontwikkeld die gebaseerd is op een organische elektronentransportlaag (ETL) . Daarnaast hebben onderzoekers van de onderzoeksgroep voor de verankering gebruikgemaakt van een zelfassemblerende monolaag (SAM) met fosfonzuur.
De cel behaalde een energieomzettingsrendement van ongeveer 21.5% bij tests onder standaard lichtomstandigheden. Volgens het onderzoeksteam is dit het hoogste rendement dat ooit is gerapporteerd voor een perovskiet-zonnecel. En dat bovendien voor een cel die gebruikmaakt van een organische elektronentransportlaag.
Het apparaat behaalt een nullastspanning van 1.13 V en een kortsluitstroomdichtheid van 24.7 mA cm² . Tot slot heeft het een vulfactor van ongeveer 77%.
Thermogravimetrische analyse (TGA) uitgevoerd op deze gemodificeerde moleculen toonde aan dat ze thermisch stabiel zijn zonder veel gewichtsverlies . Tussen 356 °C en 268 °C bedroeg het gemiddelde gewichtsverlies slechts ongeveer 5%.
Stefaan De Wolf , hoofdauteur van het onderzoek , zei: "Alle zelfassemblerende monolagen waren ontworpen om gaten te verzamelen, wat goed werkt voor perovskiet-zonnecellen in de pin-polariteitsarchitectuur."
“Hier hebben we een reeks elektronenselectieve SAM's getest die zijn ontworpen en gesynthetiseerd door de Technische Universiteit van Kaunas en we hebben ontdekt dat dit goed werkt in perovskietzonnecellen met pinpolariteit. Dus in wezen is het concept van SAM-decoratie van metaaloxide om de ladingselectiviteit af te stemmen nu bewezen goed te werken voor beide polariteiten. Over het geheel genomen heeft dit behoorlijk wat voordelen, zoals bijvoorbeeld de verwerkbaarheid van de contacten bij lage temperaturen.”
Voorbereiding van de 21.5% efficiënte perovskietzonnecel door KAUST
- Wetenschappers gebruiken niet-fullereen-halfgeleiders die bestaan uit antrachinon (AQ) en naftaleendiimide (NDI).
- De twee gemodificeerde moleculaire versies die werden gebruikt, waren PAAQ en PANDI.
- Volgens hen maakte dit molecuul covalente binding met indiumtinoxide (ITO)-oppervlakken binnen de cel mogelijk. Dit leidde er verder toe dat het energetisch matchte met de perovskiet.
- De cel is gebouwd met een ITO en op glas gebaseerde substraat.
- Ze omvatten ook elektronen-selecterende SAM's, een hole transport layer (HTL) op basis van Spiro-OMeTAD en een perovskite absorber. Ook een zilvermetaal maakt contact met een molybdeenoxide (MoOx) laag.
Onderzoekers verklaarden: "UV-vis transmissieresultaten van SAM-functionalisatie op het ITO-oppervlak tonen verwaarloosbare optische verliezen in vergelijking met kaal ITO en ITO/SnO2-films."
"Met name PANDI-gebaseerde SAM's vertonen een hogere oppervlaktehomogeniteit op het ITO-oppervlak dan PAAQ SAM's. We ontdekten dat de toenemende oppervlaktehomogeniteit op de ITO/PANDI de niet-radiatieve grensvlakrecombinatie effectief kan onderdrukken door middel van veldeffectpassivering, zoals blijkt uit langere ladingsdragerlevensduren en hogere QFLS-waarden," voegden ze eraan toe.
Onderzoekers legden verder uit: "We hebben ook de operationele stabiliteit van onze SAM-gebaseerde apparaten getest bij 65 °C met een behoud van meer dan 90% van hun oorspronkelijke prestaties gedurende 1000 uur."
Ze beschouwen PANDI SAM's als de meest geschikte toekomstige kandidaten voor perovskiet-zonnecellen met pinstructuren. Dit komt doordat ze gemakkelijk op flexibele substraten kunnen worden aangebracht.
"Het op PANDI gebaseerde apparaat vertoonde ook een verbeterde thermische stabiliteit op lange termijn, wat bevestigt dat de PANDI SAM in de toekomst mogelijk als ETL-materiaal kan worden gebruikt", concludeerden de onderzoekers.
