Растущие проблемы климата требуют лучших решений в плане устройств для сбора возобновляемой энергии. Чтобы превзойти самый высокий показатель, исследователи показывают, что органический транспортный слой перовскита KAUST имеет эффективность 21.5%.
В Саудовской Аравии, в Университете науки и технологий имени короля Абдаллы (KAUST) , разработан перовскитный солнечный элемент, основанный на органическом слое переноса электронов (ETL) . Кроме того, для закрепления элементов исследователи использовали самоорганизующийся монослой (SAM) с фосфоновой кислотой.
При тестировании в стандартных условиях освещения ячейка достигла эффективности преобразования энергии около 21.5% . По данным исследовательской группы, это самая высокая из когда-либо зарегистрированных показателей эффективности перовскитных солнечных элементов, причем среди элементов, использующих органический электронно-транспортный слой.
Устройство обеспечивает напряжение холостого хода 1.13 В и плотность тока короткого замыкания 24.7 мА·см⁻² . Наконец, коэффициент заполнения составляет около 77%.
Термогравиметрический анализ (ТГА), проведенный с этими модифицированными молекулами, показал, что они термически стабильны и практически не теряют в весе . В диапазоне температур от 356°C до 268°C средняя потеря веса составляла всего около 5%.
Ведущий автор исследования Стефаан Де Вольф сказал: «Все самоорганизующиеся монослои были разработаны для сбора дырок, что хорошо работает для перовскитных солнечных элементов в архитектуре с p-n-полярностью».
«Здесь мы протестировали ряд электронно-селективных SAM, разработанных и синтезированных Каунасским технологическим университетом, и обнаружили, что они хорошо работают в перовскитных солнечных элементах с полярностью штырьков. Таким образом, по сути, концепция декорирования SAM оксида металла для настройки селективности заряда теперь доказала свою эффективность для обеих полярностей. В целом, это имеет ряд преимуществ, например, низкотемпературную обрабатываемость контактов».
Изготовление солнечного элемента на основе перовскита с эффективностью 21.5% от KAUST
- Ученые используют нефуллереновые полупроводники, состоящие из антрахинона (AQ) и нафталиндиимида (NDI).
- Были использованы две модифицированные молекулярные версии: PAAQ и PANDI.
- По их словам, эта молекула допускает ковалентное связывание с поверхностями оксида индия и олова (ITO) внутри клетки. Это в дальнейшем привело к ее энергетическому соответствию перовскиту.
- Ячейка изготовлена на основе ITO и стекла. подложка.
- Они также включают в себя электронно-селектирующие SAM, слой переноса дырок (HTL) на основе Spiro-OMeTAD и перовскитный поглотитель. Также металлическое серебро контактирует со слоем оксида молибдена (MoOx).
Исследователи заявили: «Результаты УФ-видимого пропускания функционализированной поверхности ITO самоорганизующейся монослоиной показывают незначительные оптические потери по сравнению с непокрытой ITO и пленками ITO/SnO2».
«В частности, самоорганизующиеся монослои на основе PANDI демонстрируют более высокую однородность поверхности на ITO, чем самоорганизующиеся монослои на основе PAAQ. Мы обнаружили, что повышение однородности поверхности ITO/PANDI может эффективно подавлять безызлучательную межфазную рекомбинацию за счет пассивации полевым эффектом, о чем свидетельствуют более длительные времена жизни носителей заряда и более высокие значения QFLS», — добавили они.
Исследователи далее пояснили: «Мы также протестировали стабильность работы наших устройств на основе SAM при температуре 65 °C, сохранив более 90% их первоначальной производительности в течение 1000 часов».
Они рассматривают самоорганизующиеся монослои PANDI как наиболее подходящих кандидатов для перовскитных солнечных элементов с p-n-структурой в будущем. Это связано с простотой их нанесения на гибкие подложки.
«Устройство на основе PANDI также продемонстрировало улучшенную долговременную термическую стабильность, подтверждая, что самоорганизующийся монослой PANDI имеет потенциал для использования в качестве материалов для электронно-транспортного слоя», — заключили исследователи.
