Perowskit-Solarzellen (PSC) stehen an der Spitze der Innovationen in der Solarenergiebranche. Sie stoßen aufgrund ihres Wirkungsgrades bei der Leistungsumwandlung und ihrer kostengünstigen Herstellung auf großes Interesse. Bevor PSCs auf den Markt gebracht werden können, müssten jedoch sowohl ein hoher Wirkungsgrad als auch eine langfristige Stabilität erreicht werden, insbesondere unter schwierigen Umweltbedingungen.
Die Lösung liegt in der Interaktion zwischen den PSC-Schichten, die sich als zweischneidiges Schwert erwiesen hat. Die Schichten können die Leistung der Zellen verbessern, sie aber auch zu schnell für eine regelmäßige Nutzung im Alltag verschlechtern.
Durch ihre Zusammenarbeit haben die Labors von Michael Grätzel an der EPFL und Edward Sargent an der Northwestern University einen Durchbruch bei der Entwicklung von PSCs mit Rekordstabilität und einem Wirkungsgrad von über 25% bei der Leistungsumwandlung erzielt und damit zwei der dringlichsten Herausforderungen im Bereich der Solarenergie gemeistert. Ihre Arbeit wurde in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.
Die Forscherinnen und Forscher interessierten sich für das Design von umgekehrten PSCs, die sich bereits als vielversprechend in Bezug auf ihre Betriebsstabilität erwiesen haben. Sie fügten eine "selbstorganisierende konforme Monolage auf strukturierten Substraten" ein, d. h. eine einzelne Schicht von Molekülen, die spontan und gleichmäßig die unregelmäßige Oberfläche eines strukturierten Substrats bedeckt.
Dieses neue Design beseitigt das Problem der "molekularen Agglomeration", die auftritt, wenn Moleküle zusammenklumpen, anstatt sich gleichmäßig zu verteilen. Wenn dieses Phänomen auf den strukturierten Oberflächen von Solarzellen auftritt, kann die Leistung der Solarzellen erheblich beeinträchtigt werden.
Diese Funktion wird jedoch durch die Aggregation der PAC-Moleküle beeinträchtigt. Die Zugabe des 3-MPA-Moleküls verbessert den Kontakt zwischen dem Perowskitmaterial und dem texturierten Substrat der Solarzelle, um die Leistung und Stabilität zu optimieren, wodurch die Carbazolmolekülcluster zerfallen und eine homogenere Verteilung der Moleküle in der selbstorganisierten Monoschicht erreicht wird. Durch diese Zugabe verteilen sich die Moleküle auf der Oberfläche der Photovoltaikzelle gleichmäßiger, wodurch problematische Cluster vermieden und die Stabilität und Leistung der PSCs verbessert werden.
Das neue Design verbesserte die Lichtabsorption und minimierte gleichzeitig den Energieverlust an der Grenzfläche zwischen den Schichten, was zu einem beeindruckenden Leistungsumwandlungswirkungsgrad von 25,3 % führte - ein Wert, der im Labor gemessen wurde. In Bezug auf die Stabilität zeigten die invertierten PSCs eine bemerkenswerte Widerstandsfähigkeit. Das Gerät behielt 95% seiner maximalen Leistung, selbst nachdem es harten Bedingungen ausgesetzt wurde - einer Temperatur von 65°C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 50% für mehr als 1000 Stunden. Ein solches Maß an Stabilität in Verbindung mit einem derart hohen Wirkungsgrad ist im Bereich der PSCs beispiellos.
Dieses revolutionäre Design stellt einen großen Fortschritt bei der Kommerzialisierung von PSCs dar. Die Beseitigung von Wirkungsgrad- und Stabilitätsproblemen in Verbindung mit niedrigeren Herstellungskosten als bei heutigen Solarzellen kann zu einem großflächigen Einsatz führen. Das neue Verfahren kann auch über Solarzellen hinausgehen und anderen optoelektronischen Geräten zugutekommen, die ein effizientes Lichtmanagement benötigen, wie z. B. LEDs und Fotodetektoren.
Andere Mitwirkende:
- Universität Toronto
- Universität von Peking
- Universität von Kentucky
- Universität von North Carolina
So Min Park, Mingyang Wei, Nikolaos Lempesis, Wenjin Yu, Tareq Hossain, Lorenzo Agosta, Virginia Carnevali, Harindi R. Atapattu, Peter Serles, Felix T. Eickemeyer, Heejong Shin, Maral Vafaie, Deokjae Choi, Kasra Darabi, Eui Dae Jung, Yi Yang, Da Bin Kim, Shaik M. Zakeeruddin, Bin Chen, Aram Amassian, Tobin Filleter, Mercouri G. Kanatzidis, Kenneth R. Graham, Lixin Xiao, Ursula Rothlisberger, Michael Grätzel, and Edward H. Sargent. Low-loss contacts on textured substrates for inverted perovskite solar cells. Nature October 19, 2023. DOI: https://doi.org/10.1038/s41560’023 -01377-7
