Perowskit-Stabilität und Solarumwandlungsleistung verbessern sich in Materialien mit weniger Bromidmigration

Die Wissenschaft

Wissenschaftler sind daran interessiert, die Stabilität einer Klasse kristalliner Materialien zu verbessern, die, wenn sie stabiler sind, die Grundlage für kostengünstige Solarzellen bilden könnten. Diese als gemischte Halogenid-Perowskite bezeichneten Materialien kombinieren organische und anorganische Materialien. Die Kristalle bestehen aus einer Art chemischer Verbindungen, den sogenannten Halogeniden, die Bromide (Bromverbindungen) und Iodide (Jodverbindungen) kombinieren. Die resultierenden Materialien sind jedoch aufgrund von Strukturfehlern, die durch eine schnelle und ungleichmäßige Kristallisation bei der Materialbildung entstehen, instabil. Diese Defekte ermöglichen Bromid und Jodid, sich innerhalb des Kristalls zu bewegen. Sie bewegen sich unterschiedlich schnell und trennen sich auf eine Weise, die die Leistung des Gesamtmaterials verringert. Jetzt haben Forscher eine neue Methode zur Herstellung von Perowskiten entwickelt. Der resultierende gemischte Halogenid-Perowskit-Film weist weniger Defekte und eine verbesserte Stabilität auf.

Der Aufprall

Die neue Methode zur Herstellung gemischter Halogenid-Perowskite führt zu Solarzellen mit verbesserter Stabilität und Leistung. Die neue Methode führt zu einer besseren Kontrolle der Perowskit-Kristallisationsraten. Dies bedeutet, dass die Kristallstruktur geordneter ist, was teilweise darauf zurückzuführen ist, dass Forscher die schnellere Kristallisation von Bromid im Vergleich zu Iodid verstehen und nutzen. Das Ergebnis ist ein Material mit weniger Defekten und weniger Halogenidmigration und somit weniger Entmischung von Bromid und Iodid. Dies wiederum bedeutet eine gleichmäßige Mischung von Bromid und Jodid im gesamten Material, wodurch das Material Licht gleichmäßig absorbieren kann. Das Endergebnis ist, dass Solarzellen, die mit der neuen Methode hergestellt werden, unter realen Bedingungen eine bessere Leistung erbringen.

Zusammenfassung

Bei der typischen Abscheidung einer Halogenid-Perowskit-Lösung wird ein Anti-Lösungsmittel-Tropfverfahren eingesetzt, um die Kristallisation des Halogenidfilms einzuleiten. Das standardmäßige Antilösungsmittelverfahren zur Herstellung von Bromid-Iodid-Mischhalogenid-Perowskit-Filmen führt aufgrund der schnellen Kristallisation von Bromid- gegenüber Iodid-Perowskit-Phasen häufig zu einer übermäßigen Defektbildung (z. B. Bromid-Leerstellen). Simulationen zeigen, dass die Halogenidmigration bei Vorhandensein einer großen Population von Halogenid-Leerstellen verstärkt ist. Dies begrenzt die Stabilität von Bromid-Iodid-Mischhalogenid-Perowskiten unter Licht und Hitze.

Im Vergleich zum Anti-Lösungsmittel-Ansatz kontrolliert die schonendere Gasabschreckungsmethode die Kristallisation besser, indem sie zunächst eine bromidreiche Oberflächenschicht erzeugt, die dann ein säulenförmiges Wachstum von oben nach unten induziert, um eine Gradientenstruktur mit weniger Bromid in der Masse als an der Oberfläche zu bilden Region. Die Anti-Lösungsmittel-Methode erzeugt keine solche Gradientenstruktur. In dieser Studie zeigten Forscher des National Renewable Energy Laboratory, der University of Toledo und der University of Colorado Boulder, dass die Gas-Quench-Methode auch weniger Bromid-Leerstellen erzeugt und zu Materialien mit einer besseren optoelektronischen Leistung führt. Mit der Gaslöschmethode hergestellte Solarzellen behalten die gewünschten Lichtabsorptionseigenschaften bei und bieten eine verbesserte Leistung in Form einer höheren Ladungsträgermobilität, einer höheren Leerlaufspannung und einer verbesserten Stabilität.

Finanzierung

Diese Forschung wurde vom Department of Energy (DOE) finanziert. Büro für Wissenschaft, Büro für grundlegende Energiewissenschaften, Energy Frontier Research Centers (EFRC)-Programm. Die Autoren bedanken sich für die Unterstützung durch die Zentrum für hybride organische anorganische Halbleiter für Energie (CHOISE), ein Energy Frontier Research Center, finanziert vom DOE Office of Science, dem Office of Basic Energy Sciences. Die Arbeiten zur Herstellung und Prüfung von Solarzellen wurden durch das Advanced Perovskite Cells and Modules-Programm des National Center for Photovoltaics unterstützt, finanziert vom DOE Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, Solar Energy Technologies Office. Die First-Principles-Berechnungen wurden mithilfe von Rechenressourcen durchgeführt, die vom DOE Office of Energy Efficiency and Renewable Energy gesponsert wurden und sich im National Renewable Energy Laboratory befinden.

Veröffentlichungen

Jiang, Q., et.al, Zusammensetzungstextur-Engineering für hochstabile Perowskit-Solarzellen mit großer Bandlücke, Wissenschaft, 378, 1295, (2022) [DOI: 10.1126/science.adf0194]

verwandte Links

Tut Zentrum für hybride organische anorganische Halbleiter für Energie

Kontakt
Kai Zhu
Nationales Labor für erneuerbare Energien
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Mit freundlicher Genehmigung von Energie.gov