Neue Perowskit-Billig-Solarzelle

Negativ-Elektrode aufgesprüht

Ein Forscherteam um André D. Taylor der Fakultät für  Chemie- und Biomolekulartechnik an der Universität New York und Yifan Zheng von der Pekinger Universität hat einen neuen vielversprechenden Weg zur Verbesserung organischer Solarzellen, was sie “die Lösung einer großen Herausforderung bei der Herstellung von Perowskit-Zellen” nennen – so eine Medienmitteilung der NY Uni. Die Wissenschaftler haben dabei als Alternative für das Aufbringen einer kritischen Schicht oberhalb des Kristalls, der negativen Elektrode, diese Schicht aufgesprüht.

Bisher wurde diese Schicht im sogenannten Schleudergussverfahren aufgebracht, bei dem die Zelle gedreht wird und die Zentripetalkraft die ETL-Flüssigkeit über das Perowskit-Substrat verteilt. Diese Technik ist jedoch auf kleine Flächen beschränkt und führt zu einer inkonsistenten Schicht, was die Leistung der Solarzelle beeinträchtigt. Das Schleudergussverfahren ist auch für die kommerzielle Produktion von großen Solarpaneelen durch Verfahren wie die Rolle-zu-Rolle-Fertigung, für die die flexible pin-Planar-Perowskit-Architektur ansonsten gut geeignet ist, nicht geeignet.

Stattdessen verwendeten die Forscher die Sprühbeschichtung zu, welche die ETL großflächig gleichmäßig aufträgt und sich für die Herstellung großer Solarmodule eignet. Sie berichteten von einem 30-prozentigen Effizienzgewinn gegenüber anderen ETLs – von einem PCE von 13 Prozent auf mehr als 17 Prozent – und weniger Fehlern.

In dem am 21.06.2018 online veröffentlichten Leitartikel für die Ausgabe vom 28. Juni 2018 von Nanoscale, einer Publikation der Royal Society of Chemistry, zeigt das Forschungsteam ein neues skalierbares Verfahren zur Anwendung einer kritischen Komponente auf Perowskit-Zellen zur Lösung einiger großer Fertigungsprobleme auf. Die Forscher konnten die kritische Elektronentransportschicht (ETL) in Perowskit-Photovoltaikzellen neu aufbringen – mit Sprühbeschichtung – um der ETL eine überlegene Leitfähigkeit und eine starke Grenzfläche zu ihrem Nachbarn, der Perowskitschicht, zu verleihen.

Abstract in Nanoscale (“Spray coating of the PCBM electron transport layer significantly improves the efficiency of p-i-n planar perovskite solar cells ” – Sprühbeschichtung der PCBM-Elektronentransportschicht verbessert den Wirkungsgrad von pin-planaren Perowskit-Solarzellen deutlich) “Die pin-Struktur für Perowskit-Solarzellen hat in jüngster Zeit deutliche Vorteile bei minimalen Hystereseeffekten und skalierbarem Produktionspotenzial durch Tieftemperatur-Lösungsverarbeitung gezeigt. Der Wirkungsgrad (PCE) der Perowskit-Pin-Struktur bleibt jedoch gering, was hauptsächlich auf Einschränkungen bei der Verwendung einer flachen Elektronentransportschicht (ETL) zurückzuführen ist. In dieser Arbeit zeigen wir einen neuen Ansatz zur Herstellung des [6,6]-Phenyl-C61Buttersäuremethylester (PCBM)-ETL. Durch die Schaffung einer rauen Oberfläche verbessern wir effektiv die Lichtfangeigenschaften innerhalb des PCBM-ETL. Wir zeigen, dass das als Schicht aufgesprühte PCBM ein verbundenes Netzwerk bilden kann, das einen besseren Ladungstransport und eine höhere Extraktionseffizienz ermöglicht. Durch die Verbesserung des Kontaktes zwischen dem Perowskitfilm und dem PCBM-ETL wird eine Reduzierung der Trap-Zustände beobachtet, was zu einem PCE-Anstieg von 13% auf >17% führt.”

Die meisten Solarzellen sind “Sandwiches” aus Materialien, die so geschichtet sind, dass sie beim Auftreffen von Licht auf die Zelloberfläche Elektronen in negativ geladenem Material anregen und elektrischen Strom erzeugen, indem sie die Elektronen zu einem Gitter aus positiv geladenen “Löchern” bewegen. In Perowskit-Solarzellen mit einer einfachen planaren Orientierung, genannt pin (oder nip, wenn invertiert), bildet das Perowskit die lichtfangende intrinsische Schicht (das “i” in pin) zwischen der negativ geladenen ETL und einer positiv geladenen Lochtransportschicht (HTL).

Wenn die positiv und negativ geladenen Schichten getrennt werden, verhält sich die Architektur wie ein Pachinko-Spielautomat, bei dem Photonen aus einer Lichtquelle instabile Elektronen aus dem ETL herauslösen, wodurch sie auf die positive HTL-Seite des Sandwichs fallen. Die Perowskitschicht beschleunigt diesen Fluss. Während Perowskit aufgrund seiner starken Affinität zu Löchern und Elektronen und seiner schnellen Reaktionszeit eine ideale intrinsische Schicht darstellt, hat sich die großtechnische Herstellung als schwierig erwiesen, da es schwierig ist, eine gleichmäßige ETL-Schicht auf die kristalline Oberfläche des Perowskits aufzubringen.

Die Forscher wählten die Verbindung[6,6]-Phenyl-C61-Buttersäuremethylester (PCBM) wegen ihrer Erfolgsgeschichte als ETL-Material und weil PCBM in einer rauen Schicht die Möglichkeit einer verbesserten Leitfähigkeit, eines weniger durchlässigen Grenzflächenkontakts und einer verbesserten Lichtfalle bietet. “ETL-Optionen für das planare pin-Design wurden bisher kaum erforscht”, sagt Taylor. “Die größte Herausforderung bei planaren Zellen ist, wie kann man sie so zusammensetzen, dass die angrenzenden Schichten nicht zerstört werden?”

Taylor ergänzt: “Unser Ansatz ist prägnant, hochgradig reproduzierbar und skalierbar. Es alles deutet darauf hin, dass die Sprühbeschichtung des PCBM ETL einen breiten Anreiz zur Verbesserung des Wirkungsgrades von Perowskit-Solarzellen haben und eine ideale Plattform für rekordverdächtige pin Perowskit-Solarzellen in der nahen Zukunft bieten könnte.”

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