NREL-Forscher stellen einen Wachstumsansatz bereit, der die Effizienz und Stabilität steigert
Ein neuer Ansatz zur Herstellung von Perowskit-Solarzellen hat frühere Probleme angegangen und Geräte mit hoher Effizienz und ausgezeichneter Stabilität hervorgebracht, berichten Forscher des National Renewable Energy Laboratory (NREL) in der neuen Ausgabe der Zeitschrift Wissenschaft.
Die Entwicklung hochstabiler und effizienter Perowskite auf Basis einer reichhaltigen Mischung aus Brom und Jod gilt als entscheidend für die Herstellung von Tandemsolarzellen. Die beiden Elemente neigen jedoch dazu, sich bei Licht- und Wärmeeinwirkung zu trennen und somit die Spannung und Stabilität einer Solarzelle zu begrenzen.
„Dieser neue Wachstumsansatz kann die Phasentrennung erheblich unterdrücken“, sagte Kai Zhu, leitender Wissenschaftler am NREL, Hauptforscher des Projekts und Hauptautor des neuen Papiers. „Kompositorisches Textur-Engineering für hochstabile Wide-Bandgap-Perowskit-Solarzellen.“ Seine Co-Autoren von NREL sind Qi Jiang, Jinhui Tong, Rebecca Scheidt, Amy Louks, Robert Tirawat, Axel Palmstrom, Matthew Hautzinger, Steven Harvey, Steve Johnston, Laura Schelhas, Bryon Larson, Emily Warren, Matthew Beard und Joseph Berry.
Andere beteiligte Forscher sind von der University of Toledo.
Der neue Ansatz ging dieses Problem an und produzierte eine Solarzelle mit breiter Bandlücke mit einem Wirkungsgrad von mehr als 20 % und 1,33 Volt Fotospannung und geringer Änderung des Wirkungsgrads über 1.100 Stunden Dauerbetrieb bei hoher Temperatur. Mit diesem neuen Ansatz erreichte eine reine Perowskit-Tandemzelle einen Wirkungsgrad von 27,1 % bei einer hohen Photospannung von 2,2 Volt und guter Betriebsstabilität.
In der Tandemzelle wird die Schicht mit schmaler Bandlücke auf der Schicht mit breiter Bandlücke abgeschieden. Der Unterschied in den Bandlücken ermöglicht es, einen größeren Teil des Sonnenspektrums einzufangen und in Strom umzuwandeln.
Perowskit bezieht sich auf eine kristalline Struktur, die durch die Abscheidung von Chemikalien auf einem Substrat gebildet wird. Eine hohe Bromkonzentration bewirkt eine schnellere Kristallisation des Perowskitfilms und führt oft zu Defekten, die die Leistung einer Solarzelle reduzieren. Verschiedene Strategien wurden versucht, um diese Probleme zu mildern, aber die Stabilität von Perowskit-Solarzellen mit breiter Bandlücke wird immer noch als unzureichend angesehen.
Der neu entwickelte Ansatz baut auf der Arbeit von Zhu und seinen Kollegen auf Anfang dieses Jahres erschienen das drehte die typische Perowskit-Zelle um. Die Verwendung dieser umgekehrten architektonischen Struktur ermöglichte es den Forschern, sowohl die Effizienz als auch die Stabilität zu erhöhen und Tandemsolarzellen einfach zu integrieren.
Die NREL-geführte Gruppe verwendete dieselbe Architektur und entfernte sich weiter von der herkömmlichen Methode zur Herstellung eines Perowskits. Das traditionelle Verfahren verwendet ein Antilösungsmittel, das auf die kristallisierenden Chemikalien aufgetragen wird, um einen gleichmäßigen Perowskitfilm zu erzeugen. Der neue Ansatz beruhte auf der sogenannten Gasabschreckung, bei der die Chemikalien mit einem Stickstoffstrom beaufschlagt wurden. Das Ergebnis befasste sich mit dem Problem der Trennung von Brom und Jod, was zu einem Perowskitfilm mit verbesserten strukturellen und optoelektronischen Eigenschaften führte.
Der Antilösungsmittelansatz ermöglicht es den Kristallen, schnell und gleichmäßig innerhalb des Perowskitfilms zu wachsen, sich gegenseitig zu drängen und zu Defekten zu führen, wo sich die Korngrenzen treffen. Bei Anwendung auf Perowskit-Chemikalien mit hohem Bromgehalt zwingt der Gas-Quenching-Prozess die Kristalle dazu, von oben nach unten dicht gepackt zusammenzuwachsen, sodass sie wie ein einzelnes Korn werden und die Anzahl der Defekte erheblich reduziert wird. Die Top-Down-Wachstumsmethode bildet eine Gradientenstruktur mit mehr Brom in der Nähe der Oberseite und weniger in der Masse der Zelle. Das Gas-Quench-Verfahren war auch statistisch besser reproduzierbar als der Antisolvent-Ansatz.
Die Forscher erreichten einen Wirkungsgrad von über 20 % für die Wide-Bandgap-Schicht und eine Betriebsstabilität mit weniger als 5 % Verschlechterung über 1.100 Stunden. Gekoppelt mit der untersten Zelle erreichte das Gerät die Wirkungsgradmarke von 27,1 %.
Die Forscher probierten auch Argon und Luft als Trocknungsgas mit ähnlichen Ergebnissen aus, was darauf hinweist, dass das Gas-Quench-Verfahren ein allgemeiner Weg zur Verbesserung der Leistung von Perowskit-Solarzellen mit breiter Bandlücke ist.
Der neue Wachstumsansatz demonstrierte das Potenzial von hochleistungsfähigen All-Perowskit-Tandem-Bauelementen und förderte die Entwicklung anderer Perowskit-basierter Tandem-Architekturen, wie z. B. solcher, die Silizium enthalten.
Das Büro für Solarenergietechnologien des US-Energieministeriums finanzierte die Forschung.
Mit freundlicher Genehmigung von NREL, Das wichtigste nationale Labor des US-Energieministeriums für Forschung und Entwicklung zu erneuerbaren Energien und Energieeffizienz. NREL wird für DOE von der Alliance for Sustainable Energy LLC betrieben.
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