Quelle: scitechdaily.com
Materialwissenschaftler der Rice University verwenden anorganische Inhaltsstoffe, um Defekte zu begrenzen und die Effizienz zu erhalten.
Wissenschaftler der Rice University glauben, dass sie eine große Hürde überwunden haben, die es perowskitbasierten Solarzellen unmöglich macht, den Mainstream zu nutzen.
Der Postdoktorand der Rice University, Jia Liang, verfügt über Perowskit-Solarzellen, die mit allen anorganischen Materialien entwickelt wurden. Die Kontrolle von Defekten in den Zellen durch Eliminieren organischer Komponenten machte sie robuster, während ihre Energieumwandlungseffizienz beibehalten wurde. Bildnachweis: Jeff Fitlow / Rice University
Durch die strategische Verwendung des Elements Indium als Ersatz für einen Teil des Bleis in Perowskiten sagen der Reismaterialwissenschaftler Jun Lou und seine Kollegen von der Brown School of Engineering, dass sie die Defekte in Cäsium-Blei-Iodid-Solarzellen besser beherrschen beeinflussen die Bandlücke der Verbindung, eine kritische Eigenschaft bei der Solarzelleneffizienz.
Als Nebeneffekt können die neu formulierten Zellen des Labors an der frischen Luft hergestellt werden und halten monatelang statt tagelang, wobei der Wirkungsgrad der Sonnenumwandlung etwas über 12% liegt.
Die Ergebnisse des Rice-Teams wurden gestern, 4. November 2019, in Advanced Materials veröffentlicht.
Perowskite sind Kristalle mit kubischen Gittern, von denen bekannt ist, dass sie effiziente Lichtsammler sind. Die Materialien werden jedoch tendenziell durch Licht, Feuchtigkeit und Wärme beansprucht.
Nicht die Reisperowskiten, sagte Lou.
"Aus unserer Sicht ist dies etwas Neues und ich denke, es ist ein wichtiger Durchbruch", sagte er. „Dies unterscheidet sich von den traditionellen Perowskiten, von denen die meisten schon seit 10 Jahren sprechen - den anorganisch-organischen Hybriden, die mit etwa 25% den bisher höchsten Wirkungsgrad erzielen. Das Problem bei dieser Art von Material ist jedoch die Instabilität.
„Ingenieure entwickeln Deckschichten und Schutzmaßnahmen, um diese wertvollen, empfindlichen Materialien vor der Umwelt zu schützen“, sagte Lou. „Aber es ist schwierig, mit den an sich instabilen Materialien selbst einen Unterschied zu machen. Deshalb haben wir uns vorgenommen, etwas anderes zu machen. “
Ein elektronenmikroskopisches Bild zeigt einen Querschnitt der an der Rice University entwickelten rein anorganischen Perowskit-Solarzelle. Von oben sind die Schichten eine Kohlenstoffelektrode, Perowskit, Titanoxid, Fluor-dotiertes Zinnoxid und Glas. Der Maßstab entspricht 500 Nanometer. Bildnachweis: Lou Group / Rice University
Der promovierte Reisforscher und Hauptautor Jia Liang und sein Team bauten und testeten Perowskit-Solarzellen aus anorganischem Cäsium, Blei und Iodid. Diese Zellen neigen dazu, aufgrund von Defekten schnell zu versagen. Durch Zugabe von Brom und Indium gelang es den Forschern, Materialfehler zu beseitigen und den Wirkungsgrad über 12% und die Spannung auf 1,20 Volt zu erhöhen.
Als Bonus erwies sich das Material als außergewöhnlich stabil. Die Zellen wurden unter Umgebungsbedingungen hergestellt, die der hohen Luftfeuchtigkeit von Houston standhielten, und eingekapselte Zellen blieben mehr als zwei Monate an der Luft stabil, weitaus besser als die wenigen Tage, die reine Cäsium-Blei-Iodid-Zellen anhielten.
Eine schematische Ansicht zeigt eine rein anorganische Perowskit-Solarzelle, die von Materialwissenschaftlern an der Rice University entwickelt wurde. Bildnachweis: Lou Group / Rice University
"Der höchste Wirkungsgrad für dieses Material liegt möglicherweise bei etwa 20%. Wenn wir dorthin gelangen, kann dies ein kommerzielles Produkt sein", sagte Liang. „Es hat Vorteile gegenüber Solarzellen auf Siliziumbasis, da die Synthese sehr billig, lösungsbasiert und einfach zu skalieren ist. Im Grunde verteilen Sie es einfach auf einem Substrat, lassen es austrocknen und Sie haben Ihre Solarzelle. “
Literaturhinweis: „Defect-Engineering-fähige hocheffiziente all-anorganische Perowskit-Solarzellen“ von Jia Liang, Xiao Han, Ji-Hui Yang, Boyu Zhang, Qiyi Fang, Jing Zhang, Qing Ai, Meredith M. Ogle, Tanguy Terlier, Angel A. Martí und Jun Lou, 4. November 2019, Advanced Materials .
DOI: 10.1002 / adma.201903448
Mitautoren des Papers sind Xiao Han von der Northwestern Polytechnical University, China; Ji-Hui Yang von der Fudan Universität, Shanghai; Boyu Zhang, Qiyi Fang, Meredith Ogle, der Postdoktorand Jing Zhang, der akademische Besucher Qing Ai, der Forschungsspezialist Tanguy Terlier und Angel Martí, ein außerordentlicher Professor für Chemie, Bio- und Materialwissenschaften sowie Nanoingenieurwesen. Lou ist Professor für Materialwissenschaften und Nanotechnologie sowie für Chemie.
Das Postdoc-Stipendium für Nanotechnologie von Peter M. und Ruth L. Nicholas, die Welch Foundation, der China Scholarship Council und die National Science Foundation unterstützten die Forschung.