3D-Chemie steigert den Wirkungsgrad von Perowskiten auf 23,9 %

Eine internationale Zusammenarbeit unter der Leitung von EPFL-Chemieingenieurfachleuten hat ein Problem bei der Herstellung von Perowskiten überwunden, das ihre Effizienz als Solarzellen verringert. Der Ansatz führte zu Perowskit-Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von 23,9 % und einer Betriebsstabilität von über 1000 Stunden.
Kredit: Alain Herzog (EPFL)

Perowskite sind hybride Verbindungen aus Metallhalogeniden und organischen Bestandteilen, die ein grosses Potenzial für eine Reihe von Anwendungen haben, z. B. LED-Leuchten, Laser und Photodetektoren. Ihren grössten Beitrag leisten sie jedoch in Solarzellen, wo sie sich anschicken, den Markt zu erobern und ihre Silizium-Pendants zu ersetzen.

Zu den führenden Kandidaten für hocheffiziente und stabile Solarzellen gehören Bleijodid-Perowskite, die hervorragende Lichtsammelfähigkeiten aufweisen. Ihre Effizienz hängt jedoch stark von ihrer Herstellung ab, und ein Schlüsselfaktor ist die Beseitigung von Defekten auf ihrer Lichtsammeloberfläche.

Passivierung und Perowskiteffizienz

Dies geschieht in der Regel durch eine «Passivierung» genannte Methode, bei der die Oberfläche von Perowskit-Filmen mit Chemikalien (Alkylammoniumhalogenide) beschichtet wird, um sie widerstandsfähiger und stabiler zu machen. Bei diesem Verfahren wird eine zweidimensionale Perowskit-Schicht auf den primären Perowskit-Lichtabsorber aufgebracht, was die Stabilität der Vorrichtung verbessert.

Das Problem ist, dass die Passivierung durch die Bildung sogenannter «in-plane»-Perowskit-Schichten, die elektrische Ladung nicht so gut «bewegen», insbesondere unter Hitzeeinwirkung, nach hinten losgeht. Dies ist ein offensichtlicher Nachteil für die Verbreitung und Kommerzialisierung potenzieller Solarzellen.

3D-Chemie als Retter in der Not

In einer neuen Studie haben Forschende um Mohammad Nazeeruddin von der Fakultät für Grundlagenwissenschaften der EPFL einen Weg gefunden, das Problem zu lösen, indem sie sie mit verschiedenen Isomeren eines Jodids behandeln, das zur Herstellung von Perowskiten verwendet wird. In der Chemie sind Isomere Verbindungen, die die gleiche Molekularformel haben, deren Atome aber unterschiedlich im dreidimensionalen Raum angeordnet sind.

Die Forschenden untersuchten die Mindestenergie, die zur Bildung zweidimensionaler Perowskite aus verschiedenen Isomeren des Iodids PDEAI2 (Phenylendiethylammonium) erforderlich ist. Die Isomere wurden für eine, wie die Forschenden es nennen, «massgeschneiderte Defektpassivierung» konzipiert, was bedeutet, dass ihre Passivierungswirkung auf Perowskite im Voraus sehr gut charakterisiert wurde.

Fig. 1 a Strukturen der PDEAI2-Isomere. b J-V-Kennlinien des Champion-Bauelements mit o-PDEAI2. c Foto des hergestellten Perowskit-Solarmoduls. Bildrechte: MK Nazeeruddin

Dieser Ansatz hat sich als sehr effektiv erwiesen, um die negativen Auswirkungen der Passivierung auf die Leistung der Perowskite zu vermeiden. Insbesondere war das effizienteste PDEAI2-Isomer auch das «sterisch gehindertste», ein Begriff, der sich auf eine Verlangsamung der chemischen Reaktivität allein aufgrund des Molekulargewichts der Verbindung bezieht. Sterische Hinderungsgründe werden häufig eingesetzt, um unerwünschte Reaktionen zu verhindern oder zu minimieren.

Die mit dieser Methode hergestellten Perowskit-Photovoltaikzellen wiesen einen Wirkungsgrad von 23,9 % und eine Betriebsstabilität von über 1000 Stunden auf. Dabei wurde auch ein Rekordwirkungsgrad von 21,4 % für Perowskit-Module mit einer aktiven Fläche von 26 cm2 erzielt.

Mehr Informationen

Liste der Mitwirkenden

  • Nordchinesische Universität für elektrische Energie
  • EPFL Institut für chemische Wissenschaften und Ingenieurwesen
  • Kaunas Universität für Technologie
  • Istituto Italiano di Tecnologia
  • Istituto CNR di Scienze e Tecnologie Chimiche «Giulio Natta» (CNR-SCITEC)
  • Zentrum für physikalische Wissenschaften und Technologie (Litauen)
  • Luxemburgisches Institut für Wissenschaft und Technologie (LIST)
  • Universität von Perugia
  • Prinz-Mohammad-Bin-Fahd-Universität
  • Städtische Universität von Hongkong

Finanzierung

  • Nationales Schlüsselprogramm für Forschung und Entwicklung von China
  • Walliser Energiedemonstratoren-Fonds
  • Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020 der Europäischen Union
  • Nationale Stiftung für Naturwissenschaften in China
  • Projekt zur Innovation von Hochschulfächern
  • Grundlegende Forschungsfonds für die zentralen Universitäten
  • Chinesischer Rat für Stipendien
  • Forschungsrat von Litauen
  • MJJ-Stiftung
  • Ministero dell'Istruzione dell'Università e della Ricerca (MIUR)
  • Universität von Perugia
  • PON Forschung und Innovation 2014-2020

Referenzen

Cheng Liu, Yi Yang, Kasparas Rakstys, Arup Mahata, Marius Franckevicius, Edoardo Mosconi, Raminta Skackauskaite, Bin Ding, Keith G. Brooks, Onovbaramwen Jennifer Usiobo, Jean-Nicolas Audinot, Hiroyuki Kanda, Simonas Driukas, Gabriele Kavaliauskaite, Vidmantas Gulbinas, Marc Dessimoz, Vytautas Getautis, Filippo De Angelis, Yong Ding, Songyuan Dai, Paul J. Dyson, Mohammad Khaja Nazeeruddin, Tuning structural isomers of phenylenediammonium to afford efficient and stable perovskite solar cells and modules, Nature Communications 12, 6394 (04 November 2021)