Japanische Forscher steigern Leistung von Perovskit-Solarzellen mit Titanoxid

Energieniveau der Heterophase-Anatas-Brookit-Elektronentransportschicht (links) und Elektronenmikroskopaufnahme der Brookitpartikel (rechts).© Tokai University

Mehr Leistung auf gleicher Fläche durch leistungsstärkere Zellen

Perovskit-Solarzellen liefern derzeit Wirkungsgrade von bis zu 23% bei vergleichsweise einfacher und kostengünstiger Herstellung. Die Zellen bestehen aus einer strukturierten Schicht die Licht sammelt, die als Perowskit bezeichnet wird und oft aus einer Mischung von organisch und anorganischem Material besteht. In dieser Schicht erzeugt das absorbierte Licht Ladungsträger, die dann jeweils in zwei Schichten gesammelt werden, einer Elektronentransportschicht und einer Lochschicht, von denen die Perowskitschicht umgeben ist. Auf diesen umgebenden Schichten sind die Elektroden aufgebracht um den erzeugten Strom abzutransportieren. Die zur Sonne ausgerichtete Elektroden sind transparent um mehr Licht in die Zelle hinenzulassen und so die Leistung jeder Zelle zu steigern.

Leistung der Elektronenschicht verbessern

Die Forschung der japanischen Wissenschaftler Md. Shahiduzzaman, Masao Isomura, Koji Tomita und Kollegen von der Tokai-Universität konzentrieren sich auf die Elektronentransportschicht. Das Material der Wahl für diese Schicht ist häufig Titanoxid, dessen Struktur es erleichtert, Elektronen aus der Perowskitschicht zu sammeln. Titanoxid weist mehrere Kristallpolymorphe auf, einschließlich Anatas, Brookit und Rutil. Sie haben unterschiedliche Strukturen und Eigenschaften und ihre jeweilige Morphologie beeinflusst die Qualität der Perowskitschicht und damit die Gesamtleistung der Solarzelle. Soll der Wirkungsgrad einer Solarzelle optimiert werden, ist es wichtig, diesen Effekt zu optimieren. In ihrer Forschung konzentrierten sich die Autoren auf die Anatas- und Brookitformen von Titanoxid. Anatas ist günstig, transparent und einfach in die Solarzelle zu integrieren. Es ist daher die erste Wahl für die Elektronentransportschicht. Brookit hat dagegen vielversprechende elektronische Eigenschaften, die zu einer besseren Effizienz der Solarzelle führen könnten, was allerdings noch nicht umfassend erforscht wurde.

Mehr Leistung, günstiger in der Herstllung & umweltfreundlich

Die japanischen Forscher verwenden eine Niedertemperatur- und umweltfreundliche Methode zur Herstellung hochleitfähige, einkristalliner Brookit-Nanopartikel, mit denen sie Heterophase-Anatas-Brookit- und Brookit-Anatase-Elektronentransportschichten sowie Schichten aus Einphasen-Anatas und Brookit erzeugen. Um die Leistung der verschiedenen Elektronentransportschichten zu vergleichen, haben die Forscher die jeweiligen morphologischen, optischen und strukturellen Eigenschaften gemessen, die Grenzfläche zwischen den Schichten und dem Perowskit ausgewertet und schließlich die Leistung der einzelnen Solarzellen verglichen.

Bei Verwendung von einphasigem Brookit kommt es zu einer Leistungseffizienz von 14,92 %, die höchste bisher gemeldete Leistung dieser Art von Elektronentransportschicht. Bei Heterophasenschichten liefert Anatas-Brookit-Phase Leistungen von bis zu 16,82%. Die Forscher stellen fest: „Die vorliegenden Forschungsergebnisse stellen eine effektive Strategie dar, Elektronentransportschichten mit Heterophasenübergang zu entwickeln mit denen das Energieband der Grenzfläche manipuliert werden kann, um die Leistung von planaren Perowskit-Solarzellen weiter zu verbessern und die saubere und eine umweltfreundliche Herstellung zu ermöglichen. “

Hintergrundinformation zu Planare Perovskit-Solarzellen

Auf einer Seite der Solarzelle befindet sich die erste Elektrode, ein transparentes leitfähiges Oxid, typischerweise mit Fluor dotiertes Zinnoxid (FTO) oder Indiumzinnoxid (ITO), gefolgt von einer Elektronentransportschicht. Darüber befindet sich die lichtabsorbierende Schicht aus dem Perowskitmaterial – einem Material mit der chemischen Formel ABX3, wobei A und B zwei positiv geladene Ionen und X ein negativ geladenes Ion -, dann ein Lochtransportmaterial und schließlich das zweite Elektrode, die üblicherweise aus Gold, Silber oder Kohlenstoff besteht. Die Elektronentransportschicht ist nicht immer vorhanden, erleichtert jedoch den Transport von Elektronen zur Elektrode und verbessert somit im Allgemeinen die Effizienz und Stabilität der Vorrichtung.

Energieumwandlungseffizienz und wie sie gemessen wird

Die Energieumwandlungseffizienz ist der Bruchteil der von der Sonne einfallenden Energie, die in Elektrizität umgewandelt wird. Die Bedingungen, unter denen der Wirkungsgrad gemessen wird, müssen sorgfältig kontrolliert werden, da der Wirkungsgrad nicht nur von den Eigenschaften der Solarzelle abhängt, sondern auch vom Spektrum und der Intensität des einfallenden Sonnenlichts sowie von der Temperatur. Im Labor werden Solarzellen bei 25 ° C getestet, wobei berücksichtigt wird, dass Sonnenlicht vor dem Erreichen der Erdoberfläche von der Atmosphäre abgeschwächt wird (technisch gesehen wird ein Luftmassenkoeffizient von 1,5, AM1.5, verwendet) ).

Quelle: Tokai University