Neuartige Materialien für Perowskit-Photovoltaik

 

Die Perowskit-Dünnschicht-Photovoltaik verspricht eine drastische Senkung der Kosten der nächsten Generation von Photovoltaikanlagen. Während die Perowskit-Photovoltaik in den letzten zehn Jahren eine stark verbesserte Effizienz bei der Energieumwandlung gezeigt hat, hängen die Zukunftsaussichten dieser Technologie von einem Durchbruch bei der Entwicklung stabiler und langlebiger Perowskit-Materialien von hoher optoelektronischer Qualität ab. Außerdem sind bleifreie Alternativen erwünscht, um die Akzeptanz dieser Technologie zu erleichtern. Angesichts der unzähligen Zusammensetzungen von Perowskit-Halbleitern ist ein wissensbasierter Ansatz für das Materialdesign erforderlich. Aus diesem Grund untersucht unser Team nicht nur eine Vielzahl von Perowskit-Halbleitern (z. B. "Multi-Kationen", "anorganisch", "bleifrei", "zweidimensional (2D)"), sondern beschäftigt sich auch intensiv mit der Analyse optoelektronischer Eigenschaften wie der Ladungsträgerdynamik [1], dem Photonen-Recycling [2] [3], der Variation der Zusammensetzung [4] [5] und der Morphologie der Dünnschicht [6].

Abbildung 1: Rasterelektronenbild einer Dünnschicht-Perowskit-Solarzelle im Querschnitt und zugehöriges Energiediagramm.

 

Zweidimensionale (2D) Perowskit-Halbleiter und 2D/3D-Perowskit-Heterostrukturen:

Nicht nur dreidimensionale (3D) Perowskit-Halbleiter, sondern auch ihre 2D-Analoga zeigen hervorragende optoelektronische Eigenschaften. 2D-Perowskit-Halbleiter haben eine vielversprechende Stabilität gegenüber Umwelteinflüssen gezeigt und dienen als Plattform für die Realisierung bleifreier Alternativen. Da jedoch die 2D-Struktur den Ladungstransport erschwert, müssen maßgeschneiderte große Kationen erfunden und synthetisiert werden. 2D/3D-Heterostrukturen haben in Solarzellen im Labormaßstab bereits hervorragende Leistungen gezeigt. Unser Team hat gezeigt, dass 2D/3D-Heterostrukturen die nicht-strahlungsbedingten Rekombinationsverluste stark reduzieren können, was zu erstaunlich hohen Leerlaufspannungen in Perowskit-Solarzellen über einen breiten Bereich von Bandlücken führt (siehe Abbildung 2, [7] [8]). Diese Bauelementarchitekturen eignen sich hervorragend für Perowskit/Si und Perowskit/Perowskit-Tandem-Photovoltaik [8] [9].

Abbildung 2: Schematische Darstellung einer 2D/3D-Perowskit-Heterostruktur innerhalb des Schichtstapels einer Perowskit-Solaranlage. Die verbesserte Energieumwandlungseffizienz der 2D/3D-Perowskit-Heterostruktur wird mit der 3D-Perowskit-Referenzsolarzelle verglichen.

 

Stabile und hochwertige Perowskit-Halbleiter durch Kompositionstechnik:

Das Compositional Engineering von defekttoleranten Perowskit-Halbleitern beschreibt die Variation der organischen und anorganischen Komponenten in der Kristallstruktur. Fortschritte auf diesem Gebiet haben in den letzten Jahren zu Multi-Kationen-Perowskit-Halbleitern geführt, die eine verbesserte, aber immer noch nicht ausreichende Stabilität und Energieumwandlungseffizienz aufweisen. Um die Stabilität weiter zu verbessern, erforschen wir die zugrunde liegenden Mechanismen der licht- [10] [11], temperatur- [12] [13] und feuchtigkeitsinduzierten Degradation. Wir entwickeln Richtlinien für das Materialdesign und die Bauelementearchitektur im Hinblick auf die Zusammensetzung von Multikation-Perowskiten [5], Passivierungsschichten [14] und Ladungstransportschichten [15] [16].

Abbildung 3: Auswirkung der thermischen Belastung auf Perowskit-Dünnschichten im Hinblick auf ihre Leistung in Perowskit-Solarzellen.

 

Maßgeschneiderte Bandlücken von Perowskit-Halbleitern:

Maßgeschneiderte Bandlücken sind von größter Bedeutung für die Realisierung hocheffizienter Tandem-Photovoltaik auf Perowskit-Basis. Während die optimale Bandlücke für eine Perowskit-Top-Solarzelle in der Tandem-Architektur mit kristallinem Silizium (c-Si) oder Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (CIGS)-Solarzellen 1,7-1,8 eV beträgt, liegt die optimale Bandlücke der Perowskit-Boden-Solarzelle in reinen Perowskit-Tandem-Solarzellen unter 1,3 eV. Durch Anwendung einer neuartigen Passivierungsstrategie konnten wir eine hervorragende Leistung von Perowskit-Solarzellen mit breiter Bandlücke (~1,7 eV) nachweisen. Darüber hinaus erforschen wir neue Wege, um die Kristallisation von Perowskit-Dünnschichten mit niedriger Bandlücke (~1,26 eV) für effiziente Vollperowskit-Tandemsolarzellen zu kontrollieren [17] [18] [19].

Abbildung 4: Die Bandlücke der Perowskite kann durch Zusammensetzungsmechanismen eingestellt werden.