Forscher entwickeln ein Additiv, um die Stabilität von Perowskit-Solarzellen effizient zu verbessern

Perowskit-Solarzellen (PVSCs) sind aufgrund ihrer hohen Leistungsumwandlungseffizienz und niedrigen Kosten eine vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Solarzellen auf Siliziumbasis. Eine der größten Herausforderungen bei ihrer Entwicklung war jedoch das Erreichen einer Langzeitstabilität.

Kürzlich gelang einem Forschungsteam der City University of Hong Kong (CityU) ein Durchbruch durch die Entwicklung eines innovativen multifunktionalen und nichtflüchtigen Additivs, das die Effizienz und Stabilität von Perowskit-Solarzellen durch Modulation des Perowskit-Filmwachstums verbessern kann. Diese einfache und effektive Strategie hat ein großes Potenzial, die Kommerzialisierung von PVSCs zu erleichtern.

„Diese Art von multifunktionalem Additiv kann allgemein verwendet werden, um verschiedene Perowskit-Zusammensetzungen für die Herstellung hocheffizienter und stabiler Perowskit-Solarzellen herzustellen. Die hochwertigen Perowskit-Filme werden das Hochskalieren von großflächigen Solarmodulen ermöglichen“, erklärte Professor Alex Jen Kwan-yue , Lee Shau Kee Chair Professor of Materials Science und Direktor des Hong Kong Institute for Clean Energy an der CityU, der die Studie leitete.

PVSCs haben aufgrund ihres beeindruckenden Solarenergieumwandlungswirkungsgrads (PCE) große Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Da Perowskite aus Lösungen auf den Fertigungsoberflächen abgeschieden werden können, haben PVSCs das Potenzial, in gebäudeintegrierter Photovoltaik (BIPV), tragbaren Geräten und Solarparkanwendungen eingesetzt zu werden.

Die Effizienz und Stabilität werden jedoch immer noch durch den starken Energieverlust beeinträchtigt, der mit Defekten verbunden ist, die an den Grenzflächen und Korngrenzen der Perowskite eingebettet sind. Daher spielt die intrinsische Qualität des Perowskitfilms eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der erreichbaren Effizienz und Stabilität von PVSCs.

Obwohl sich viele frühere Forschungsstudien auf die Verbesserung der Filmmorphologie und -qualität mit flüchtigen Additiven konzentriert haben, neigen diese Additive dazu, nach dem Tempern aus dem Film zu entweichen, wodurch ein Hohlraum an der Perowskit-Substrat-Grenzfläche entsteht.

Um diese Probleme anzugehen, entwickelten die CityU-Forscher eine einfache, aber effektive Strategie zur Modulation des Perowskit-Filmwachstums, um die Filmqualität zu verbessern. Sie fanden heraus, dass durch Zugabe eines multifunktionellen Moleküls (4-Guanidinobenzoesäurehydrochlorid, (GBAC)) zum Perowskit-Vorläufer eine wasserstoffbrückenverbrückte Zwischenphase gebildet wird und die Kristallisation moduliert, um qualitativ hochwertige Perowskit-Filme mit großen Perowskit-Kristallkörnern zu erzielen und kohärentes Kornwachstum vom Boden bis zur Oberfläche des Films.

Dieses Molekül kann aufgrund seiner Nichtflüchtigkeit auch als effektiver Linker zur Defektpassivierung (ein Verfahren zur Reduzierung der Defektdichte des Perowskitfilms) im getemperten Perowskitfilm dienen, was zu einem deutlich reduzierten nichtstrahlenden Rekombinationsverlust und einer verbesserten Filmqualität führt.

Ihre Experimente zeigten, dass die Defektdichte von Perowskit-Filmen nach Einführung von GBAC deutlich reduziert werden kann. Die Leistungsumwandlungseffizienz von invertierten (pin) Perowskit-Solarzellen auf Basis der modifizierten Perowskite wurde auf 24,8 % gesteigert (24,5 % zertifiziert von den Japan Electrical Safety & Environment Technology Laboratories), was zu den höchsten in der Literatur berichteten Werten gehört.

Außerdem wurde der Gesamtenergieverlust des Geräts auf 0,36 eV reduziert, was einen der niedrigsten Energieverluste unter den PVSC-Geräten mit hoher Leistungsumwandlungseffizienz darstellt.

Darüber hinaus weisen die unverkapselten Geräte eine verbesserte thermische Stabilität über 1.000 Stunden bei kontinuierlicher Erwärmung auf 65 ± 5 °C in einer mit Stickstoff gefüllten Glovebox auf, während 98 % der ursprünglichen Effizienz beibehalten werden.

Das Team demonstrierte die allgemeine Anwendbarkeit dieser Strategie für verschiedene Perowskit-Zusammensetzungen und großflächige Geräte. Zum Beispiel ein Gerät mit größerer Fläche (1 cm²) im Experiment lieferte mit dieser Strategie einen hohen PCE von 22,7 %, was auf ein hervorragendes Potenzial für die Herstellung skalierbarer, hocheffizienter PVSCs hinweist.

„Diese Arbeit zeigt einen klaren Weg zum Erreichen einer optimierten Perowskit-Filmqualität auf, um die Entwicklung von hocheffizienten und stabilen Perowskit-Solarzellen und deren Hochskalierung für praktische Anwendungen zu erleichtern“, sagte Professor Jen.

In Zukunft will das Team die molekularen Strukturen weiter ausbauen und die Gerätestruktur durch Kompositions- und Grenzflächen-Engineering optimieren. Sie werden sich auch auf die Herstellung von großflächigen Geräten konzentrieren.

Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift veröffentlicht Naturphotonik.