Ein internationales Forscherteam hat eine neue Technik entwickelt, um die Haltbarkeit von invertierten Perowskit-Solarzellen zu verbessern – ein wichtiger Schritt zur Kommerzialisierung einer neuen Photovoltaik-Technologie, die die Kosten für Solarenergie erheblich senken könnte.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Solarzellen, die aus Wafern aus extrem hochreinem Silizium hergestellt werden, werden Perowskit-Solarzellen aus Kristallen in Nanogröße hergestellt. Diese Perowskit-Kristalle können in einer Flüssigkeit dispergiert und mit kostengünstigen, gut etablierten Techniken auf eine Oberfläche aufgeschleudert werden.
Es ist auch möglich, die Wellenlängen des Lichts, das von den Perowskiten absorbiert wird, abzustimmen, indem man die Dicke und chemische Zusammensetzung der Kristallfilme anpasst. Auf unterschiedliche Wellenlängen abgestimmte Perowskitschichten können sogar übereinander oder auf traditionelle Siliziumzellen gestapelt werden, was zu „Tandem“-Zellen führt, die mehr vom Sonnenspektrum absorbieren als heutige Geräte.
Die neueste Arbeit, veröffentlicht in der Zeitschrift Wissenschaftdarunter Forscher der University of Toronto, der Northwestern University, der University of Toledo und der University of Washington.
„Perowskit-Solarzellen haben das Potenzial, die inhärenten Effizienzbeschränkungen von Silizium-Solarzellen zu überwinden“, sagt der Co-Autor der Studie, Ted Sargent, der kürzlich an die Fakultät für Chemie und die Fakultät für Elektro- und Computertechnik der Northwestern University gewechselt ist, aber weiterhin mit der U von T Engineering, wo er ein Forschungslabor hat.
„Sie sind auch für Herstellungsmethoden geeignet, die viel kostengünstiger sind als die für Silizium. Aber ein Punkt, an dem Perowskite immer noch hinter Silizium zurückbleiben, ist ihre Langzeitbeständigkeit. In dieser Studie haben wir einen rationalen Designansatz verwendet, um dies anzugehen auf eine neue und einzigartige Weise.“
In den letzten Jahren haben Sargent und seine Mitarbeiter mehrere Fortschritte gemacht, die die Leistung von Perowskit-Solarzellen verbessern. Während sich ein Großteil dieser früheren Arbeiten auf die Steigerung der Effizienz konzentrierte, befasst sich ihre neueste Arbeit mit der Herausforderung der Haltbarkeit.
„Ein wichtiger Schwachpunkt bei diesen Arten von Solarzellen ist die Grenzfläche zwischen der Perowskitschicht und den angrenzenden Schichten, die wir Trägertransportschichten nennen“, sagt Chongwen Li, ein Postdoktorand, der kürzlich an die U of T Engineering wechselte der University of Toledo und ist einer der führenden Co-Autoren des Papiers.
„Diese benachbarten Schichten extrahieren die Elektronen oder Löcher, die durch den Stromkreis fließen. Wenn die chemische Bindung zwischen diesen Schichten und der Perowskitschicht durch Licht oder Hitze beschädigt wird, können Elektronen oder Löcher nicht in den Stromkreis gelangen – dies verringert die Gesamteffizienz von die Zelle“, sagt Li.
Um dieses Problem anzugehen, ging das internationale Forschungsteam auf die ersten Prinzipien zurück. Sie verwendeten Computersimulationen auf der Grundlage der Dichtefunktionaltheorie (DFT), um vorherzusagen, welche Art von Molekülen am besten eine Brücke zwischen der Perowskitschicht und den Ladungstransportschichten bilden würden.
„Frühere Forschungen haben gezeigt, dass Moleküle, die als Lewis-Basen bekannt sind, gut geeignet sind, um eine starke Bindung zwischen diesen Schichten herzustellen“, sagt Bin Chen, ein Postdoktorand in Sargents Labor, der jetzt wissenschaftlicher Assistenzprofessor an der Northwestern University und Mitautor von ist das Papier.
„Das liegt daran, dass ein Ende des Moleküls an die Bleiatome in der Perowskitschicht und das andere an das Nickel in den Trägertransportschichten bindet. Unsere Simulationen sagten voraus, dass Lewis-Säuren, die das Element Phosphor enthalten, am besten abschneiden würden Wirkung.“
Im Labor probierte das Team verschiedene Formulierungen phosphorhaltiger Moleküle aus. Ihre Experimente zeigten die beste Leistung mit einem Material, das als 1,3-Bis(diphenylphosphino)propan oder DPPP bekannt ist.
Das Team baute invertierte Perowskit-Solarzellen, die DPPP enthielten, sowie einige ohne. Sie unterzogen beide Typen Tests, die die Art von Bedingungen simulierten, denen Solarzellen im Feld ausgesetzt wären, und beleuchteten sie mit Licht mit einer ähnlichen Intensität wie die Sonne. Sie versuchten auch, sie hohen Temperaturen auszusetzen, sowohl im Licht als auch im Dunkeln.
„Mit DPPP blieb unter Umgebungsbedingungen – d. h. ohne zusätzliche Erwärmung – die Gesamtenergieumwandlungseffizienz der Zelle etwa 3.500 Stunden lang hoch“, sagt Li.
„Die zuvor in der Literatur veröffentlichten Perowskit-Solarzellen neigen dazu, nach 1.500 bis 2.000 Stunden einen deutlichen Abfall ihrer Effizienz zu verzeichnen, daher ist dies eine große Verbesserung.“
Laut Li hat das Team ein Patent für die DPPP-Technik beantragt und bereits Interesse von kommerziellen Solarzellenherstellern erhalten.
„Ich denke, was wir getan haben, ist, einen neuen Weg nach vorne aufzuzeigen – dass DFT-Simulationen und rationales Design den Weg zu vielversprechenden Lösungen weisen können“, sagt er.
„Aber es gibt vielleicht noch bessere Moleküle. Letztendlich wollen wir an einen Punkt kommen, an dem Perowskit-Solarzellen kommerziell mit Silizium konkurrieren können, was heute die hochmoderne Photovoltaik-Technologie ist. Das ist ein wichtiger Schritt.“ in diese Richtung, aber es gibt noch mehr zu tun.“
Mehr Informationen:
Chongwen Li et al, Rationales Design von Lewis-Basenmolekülen für stabile und effiziente invertierte Perowskit-Solarzellen, Wissenschaft (2023). DOI: 10.1126/science.ade3970