Wetenschappers van NUST MISIS (Rusland) en de Universiteit van Rome Tor Vergata ontdekten dat een microscopisch kleine hoeveelheid tweedimensionaal titaniumcarbide genaamd MXene de verzameling van elektrische ladingen in een perovskiet-zonnecel aanzienlijk verbetert. verhoging van het uiteindelijke rendement boven 20%. De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in Natuurmaterialen .

Perovskiet-dunne-filmzonnecellen zijn een veelbelovende nieuwe technologie van alternatieve energiebronnen die wereldwijd actief wordt ontwikkeld. Een van de voordelen is een eenvoudig en goedkoop productieproces:perovskiet-zonnecellen kunnen vanuit een oplossing worden geprint op speciale inkjet- of slot-die-printers zonder het gebruik van hoge temperatuur/vacuümprocessen zoals bij traditionele siliciumcellen. Een ander voordeel is de mogelijkheid tot fabricage op flexibele kunststofsubstraten, zoals gewoon polyethyleentereftalaat (PET). Deze functie maakt het gebruik van perovskiet fotovoltaïsche cellen (PV) bij de integratie van gebouwen mogelijk door de dunne film op muren en/of op verschillende andere locaties te monteren, zoals gebogen glazen gevels en ramen.

Omdat het een nieuwe PV-technologie is, de inspanning van internationaal onderzoek is om de beste strategie te vinden om de efficiëntie en stabiliteit van perovskiet-zonnecellen te verbeteren. Het rendement van perovskietzonnecellen is al vergelijkbaar met siliciumanalogen die de markt domineren (het recordrendement voor een perovskiet is 25,2 %, terwijl het voor siliciumcellen 26,7 %), echter, perovskiet-zonnecellen zijn nog steeds onstabiel vanwege verschillende interne degradatiefactoren. Veel onderzoeksgroepen van universiteiten en R&D-bedrijven dwingen momenteel onderzoeken en studies af voor het oplossen van stabiliteitsproblemen en verbetering van de efficiëntie van perovskietcellen. De meeste benaderingen betreffen de optimalisatie van de chemische samenstelling van perovskiet, stabilisatie van de apparaatinterfaces en integratie van nieuwe nanomaterialen.

Een internationaal team van wetenschappers van L.A.S.E. (Laboratorium voor geavanceerde zonne-energie), Afdeling Functionele Nanosystemen en Hogetemperatuurmaterialen, beide gevestigd in NUST MISIS, Rusland, en Tor Vergata Universiteit van Rome, onder leiding van professor Aldo Di Carlo, stelde een originele benadering voor om perovskiet-zonnecellen te ontwerpen met verbeterde prestaties, namelijk het gebruik van tweedimensionale titanium-carbideverbindingen, MXenes genaamd, om perovskiet te dopen.

"We ontdekken dat MXenes, dankzij hun unieke tweedimensionale structuur, kan worden gebruikt om oppervlakte-eigenschappen van perovskiet af te stemmen, waardoor een nieuwe optimalisatiestrategie voor deze derde generatie zonnecel mogelijk wordt, " Professor Di Carlo commentaar.

Dunne film perovskiet zonnecellen hebben een sandwichstructuur, waar ladingen zich van laag naar laag verplaatsen door interfaces en zich selectief verzamelen bij elektroden. Als resultaat, zonne-energie wordt omgezet in elektrische stroom. In simpele termen, elektronen moeten van de absorberende film naar de elektroden worden getransporteerd zonder verliezen die kunnen worden veroorzaakt door interne energiebarrières, en MXene-opname verbetert dit proces.

"Om de efficiëntie van perovskiet-zonnecellen te verbeteren, we moeten de apparaatstructuur en hoofdinterface en bulkeigenschappen van elke enkele laag optimaliseren om het proces van ladingsextractie naar de elektroden te verbeteren, "Danila Saranin, een van de auteurs, onderzoeker bij L.A.E. opmerkingen. "Om dit probleem op te lossen, samen met onze Italiaanse collega's hebben we een reeks experimenten uitgevoerd door een microscopisch kleine hoeveelheid MXenen in de perovskiet-zonnecel op te nemen. Als resultaat, we bereikten een verhoging van de efficiëntie voor apparaten met meer dan 25%, vergeleken met de originele prototypes."

MXenen werden achtereenvolgens geïntroduceerd in verschillende lagen van de perovskiet-zonnecel:een foto-absorberende laag, een elektronentransportlaag op basis van titaandioxide, en op het raakvlak daartussen. Na analyse van de uitvoerprestaties van de apparaten, we kwamen erachter dat de meest efficiënte configuratie degene is waarbij MXenes worden geïntroduceerd in alle lagen, inclusief de interface. De experimentele resultaten worden bevestigd door geschikte modellering van de verkregen structuren.

Dit werk is uniek:het is het eerste rapport dat niet alleen een reeks experimenten en de verkregen resultaten beschrijft, maar bevat ook een duidelijke uitleg van de mechanismen die optreden in de gemodificeerde perovskiet-zonnecel vanuit fysisch-chemisch oogpunt.

"Het belangrijkste resultaat van dit werk is de identificatie van veranderingen in de elektrische eigenschappen van halfgeleiders, veroorzaakt door de introductie van MXenes. Vandaar, dit nieuwe nanomateriaal heeft een groot potentieel voor gebruik in grootschalige productie, "Anna Pazniak, een van de auteurs, voegt toe.

Momenteel, het team probeert het resulterende apparaat te stabiliseren en de efficiëntie te verhogen. De studie werd gefinancierd binnen de Megagrant van de regering van de Russische Federatie.