Neues Design löst Stabilitäts- und Effizienzprobleme von Perowskit-Solarzellen

Perowskit-Solarzellen (PSCs) gehören zu den Innovationen im Bereich der Solarenergie und haben aufgrund ihres Wirkungsgrades und ihrer kostengünstigen Herstellung viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Doch der Weg zur Kommerzialisierung von PSCs hat noch eine Hürde zu überwinden: die Erzielung hoher Effizienz und langfristiger Stabilität, insbesondere unter schwierigen Umweltbedingungen.

Die Lösung liegt im Zusammenspiel der Schichten von PSCs, das sich als zweischneidiges Schwert erwiesen hat. Die Schichten können die Leistung der Zellen verbessern, aber auch dazu führen, dass sie für den täglichen Gebrauch zu schnell abbauen.

Jetzt haben die Labore von Michael Grätzel an der EPFL und Edward Sargent an der Northwestern University in einer Zusammenarbeit einen bedeutenden Fortschritt bei der Konstruktion von PSCs mit Rekordstabilität und einem Wirkungsgrad über 25% erzielt und damit zwei der drängendsten Herausforderungen im Bereich der Solarenergie angegangen. Die Forschungsergebnisse werden in Nature Energy veröffentlicht.

Die Forscher konzentrierten sich auf das Design von umgekehrten PSCs, die bereits vielversprechend in Bezug auf die Betriebsstabilität waren. Sie haben eine einzigartige "konformale selbstorganisierte Monoschicht auf strukturierten Substraten" entwickelt, die eine spezielle einzelne Schicht von Molekülen beschreibt, die spontan und gleichmäßig die unregelmäßige Oberfläche eines strukturierten Substrats bedeckt.

Das neue Design behebt das Problem der "molekularen Agglomeration", das auftritt, wenn sich Moleküle anstatt sich gleichmäßig zu verteilen, zusammenballen. Wenn dies auf den strukturierten Oberflächen von Solarzellen passiert, kann es die Leistung ernsthaft beeinträchtigen.

Um dieses Problem zu lösen, haben die Forscher ein spezielles Molekül namens 3-Mercaptopropionsäure (3-MPA) in die selbstorganisierte Monoschicht (SAM) der Solarzellen eingeführt. Diese SAM besteht aus einer molekularen Schicht von phosphonsäurehaltigen Verbindungen, die selektiv die positiv geladenen Ladungsträger ("Löcher") extrahieren, die bei Bestrahlung in den Perowskit-Filmen entstehen.

Allerdings wird diese Funktion durch die Aggregation der PAC-Moleküle beeinträchtigt. Durch Zugabe von 3-MPA wird der Kontakt zwischen dem Perowskit-Material und dem strukturierten Substrat der Solarzelle verbessert, um die Leistung und Stabilität zu verbessern. Dies ermöglicht die Auflösung von molekularen Carbazol-Clustern und gewährleistet eine gleichmäßigere Verteilung der Moleküle in der selbstorganisierten Monoschicht. Durch diese Zugabe verteilen sich die Moleküle auf der Oberfläche der Solarzelle gleichmäßiger, um diese problematischen Klumpen zu vermeiden und die Gesamtstabilität und Effizienz der PSCs zu verbessern.

Das neue Design verbessert die Lichtabsorption, während gleichzeitig die Verluste an der Grenzfläche zwischen den Schichten minimiert werden. Dies führt zu einem im Labor gemessenen Wirkungsgrad von beeindruckenden 25,3%. In Bezug auf die Stabilität zeigten die umgekehrten PSCs bemerkenswerte Widerstandsfähigkeit. Das Gerät behielt auch nach einer Bestrahlung mit hohen Temperaturen von 65°C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 50% für mehr als 1.000 Stunden immer noch 95% seiner Spitzenleistung bei. Diese Stabilität in Kombination mit einem so hohen Wirkungsgrad ist auf dem Gebiet der PSCs beispiellos.

Dieser Durchbruch bei dem Design ist ein bedeutender Schritt vorwärts für den Einsatz von PSCs auf dem Markt. Die Bewältigung sowohl der Effizienz- als auch der Stabilitätsprobleme in Kombination mit den niedrigeren Herstellungskosten im Vergleich zu herkömmlichen Solarzellen kann zu einer weit verbreiteten Akzeptanz führen. Die neue Methode kann darüber hinaus auch über Solarzellen hinausgehen und anderen optoelektronischen Geräten zugutekommen, die eine effiziente Lichtsteuerung erfordern, wie z.B. LED und Fotodetektoren.

Quelle: Nature Energy (2023). DOI: 10.1038/s41560-023-01377-7