Das Einfügen einer Metallfluoridschicht in mehrschichtige Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen kann die Ladungsrekombination stoppen und die Leistung verbessern, haben KAUST-Forscher herausgefunden.
Tandem-Solarzellen, die Perowskit- und siliziumbasierte Subzellen in einem Gerät kombinieren, sollen Sonnenlicht besser einfangen und in Strom umwandeln als ihre herkömmlichen Single-Junction-Silizium-Analoga zu geringeren Kosten. Wenn jedoch Sonnenlicht auf die Perowskit-Unterzelle trifft, neigen die resultierenden Paare aus Elektronen und positiv geladenen Löchern dazu, sich an der Grenzfläche zwischen Perowskit und der Elektronentransportschicht zu rekombinieren. Außerdem behindert eine Fehlanpassung zwischen den Energieniveaus an dieser Grenzfläche die Elektronentrennung innerhalb der Zelle. Kumulativ senken diese Probleme die maximal verfügbare Betriebsspannung oder Leerlaufspannung der Tandemzellen und begrenzen die Geräteleistung.
Diese Leistungsprobleme können teilweise gelöst werden, indem zwischen Perowskit und Elektronentransportschicht eine Lithiumfluoridschicht eingebracht wird, die normalerweise den Elektronenakzeptor Fulleren (C60) enthält. Lithiumsalze verflüssigen sich jedoch leicht und diffundieren durch Oberflächen, was die Vorrichtungen instabil macht. „Keines der Geräte hat die Standard-Testprotokolle der International Electrotechnical Commission bestanden, was uns dazu veranlasste, eine Alternative zu schaffen“, sagt Hauptautor Jiang Liu, Postdoc in der Gruppe von Stefaan De Wolf.
Liu, De Wolf und Mitarbeiter untersuchten systematisch das Potenzial anderer Metallfluoride wie Magnesiumfluorid als Zwischenschichtmaterialien an der Perowskit/C60-Grenzfläche von Tandemzellen. Sie verdampften die Metallfluoride thermisch auf der Perowskitschicht, um einen ultradünnen, gleichmäßigen Film mit kontrollierter Dicke zu bilden, bevor sie C60 und Top-Contact-Komponenten hinzufügten. Die Zwischenschichten sind außerdem hochtransparent und stabil, was den Anforderungen an invertierte Pin-Solarzellen entspricht.
Die Magnesiumfluorid-Zwischenschicht förderte effektiv die Elektronenextraktion aus der Perowskit-Aktivschicht, während C60 von der Perowskit-Oberfläche verdrängt wurde. Dies reduziert die Ladungsrekombination an der Grenzfläche. Es verbesserte auch den Ladungstransport durch die Subzelle.
Die resultierende Tandemsolarzelle erreichte eine Erhöhung ihrer Leerlaufspannung um 50 Millivolt und einen zertifizierten stabilisierten Leistungsumwandlungswirkungsgrad von 29,3 Prozent – einer der höchsten Wirkungsgrade für Perowskit-Silizium-Tandemzellen, sagt Liu.
„Wenn man bedenkt, dass der beste Wirkungsgrad bei 26,7 Prozent für Mainstream-Single-Junction-Zellen auf kristalliner Siliziumbasis liegt, könnte diese innovative Technologie erhebliche Leistungssteigerungen bringen, ohne die Herstellungskosten zu erhöhen“, sagt Liu.
Um die Anwendbarkeit dieser Technologie weiter zu erforschen, entwickelt das Team skalierbare Methoden zur Herstellung von Perowskit-Silizium-Tandemzellen im industriellen Maßstab mit Flächen von mehr als 200 Quadratzentimetern. „Wir entwickeln auch mehrere Strategien, um hochstabile Tandemgeräte zu erhalten, die die kritischen industriellen Stabilitätsprotokolle bestehen“, sagt Liu.
Jiang Liu et al, Effiziente und stabile Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen durch Kontaktverschiebung durch MgFx, Wissenschaft (2022). DOI: 10.1126/science.abn8910