Het ontwikkelen van goedkope en stabiele metalen elektroden is cruciaal voor de massaproductie van perovskiet-zonnecellen (PSC's). Als een aardrijk element wordt Cu een alternatieve kandidaat om edelmetaalelektroden zoals Au en Ag te vervangen, vanwege de vergelijkbare fysiochemische eigenschappen met tegelijkertijd goede stabiliteit en lage kosten. De ongewenste banduitlijning die verband houdt met de apparaatarchitectuur belemmert echter de verkenning van efficiënte op Cu gebaseerde n-i-p PSC's. Om dit probleem op te lossen, onderzochten onderzoekers in China het verschil in energieniveau op verschillende interfaces en boden ze een potentieel pad voorwaarts om efficiëntere n-i-p PSC's met een Cu-elektrode te bereiken.

Ze publiceerden hun werk op 8 juli in Energy Material Advances .

"De ontwikkeling van kosteneffectieve en hoogwaardige PSC's is absoluut noodzakelijk", zegt auteur Huanping Zhou, professor aan de School of Materials Science and Engineering, Peking University (PKU). "Momenteel heeft de Cu-elektrode veel aandacht getrokken vanwege zijn lage kosten en goede stabiliteit, maar hij is beperkt in de prestaties voor PSC's met n-i-p-structuur."

Zhou legde uit dat de Cu-elektrode een aantal belangrijke voordelen heeft als alternatief voor Au of Ag, vooral als de achterelektrode, die verantwoordelijk is voor het transport van de drager in het apparaat.

"Cu is het aardrijke element en het kost minder dan 1/80ste van Ag en 1/5500ste van die van Au," zei Zhou. "Cu is de veelbelovende kandidaat om PSC-elektrode te zijn vanwege zijn vergelijkbare fysieke eigenschappen (d.w.z. geleidbaarheid) met Au en Ag, en goede stabiliteit."

Maar op Cu gebaseerde n-i-p PSC's kunnen geen hoge fotovoltaïsche prestaties vertonen. Volgens Zhou is het grootste obstakel dat het Fermi-niveau van de gatentransportlaag (HTL, zoals Spiro-OMeTAD, -4,19 eV) heel anders is met de werkfunctie van Cu (-4,7 eV), wat leidt tot een grote Schottky-barrière bij HTL/Cu-interface. Dit fenomeen bestaat niet in p-i-n PSC's, omdat het Fermi-niveau van veelgebruikte C₆₀ (elektronentransportlaag) is ongeveer –4,5 eV, wat vergelijkbaar is met de werkfunctie van Cu. Dit is de reden waarom Cu-gebaseerde p-i-p PSC's hoge opto-elektronische prestaties kunnen vertonen, terwijl Cu-gebaseerde n-i-p PSC's dat niet kunnen.

Om dit probleem aan te pakken, hebben Zhou en haar team het Fermi-niveau van HTL's systematisch aangepast aan de werkfunctie van de Cu-elektrode, zodat het energieverschil bij de HTL/Cu-interface kan worden verminderd voor een beter transport van de drager. Het energieverschil tussen perovskiet (Fermi-niveau is -4,08 eV) en de Cu-elektrode is echter constant, dus het kleinere energieverschil tussen HTL en Cu betekent een groter energieverschil tussen perovskiet en HTL, wat schadelijk is voor de extractie van dragers. Hoe het energieverschil tussen perovskiet/HTL- en HTL/Cu-interfaces in evenwicht wordt gebracht, wordt belangrijk voor PSC-prestaties.

"Net als het bucket-effect hopen we dat zowel perovskiet/HTL- als HTL/Cu-interfaces niet de kortste buckets zijn tijdens de werking van het apparaat", zei Zhou. "In dit artikel hebben we het Fermi-niveau van HTL's zorgvuldig aangepast om het energieverschil bij perovskiet/HTL- en HTL/Cu-interfaces in evenwicht te brengen, door verschillende hoeveelheden PTAA toe te voegen aan Spiro-OMeTAD."

"We concludeerden dat het uitgebalanceerde energieverschil tussen perovskiet/HTL- en HTL/Cu-interfaces de ladingsverzameling en transporteigenschappen in de resulterende n-i-p PSC-apparaten aanzienlijk zou kunnen verbeteren," zei Zhou.

De onderzoekers testten de opto-elektronische prestaties van n-i-p PSC's op basis van de Cu-elektrode en verschillende HTL's. Door de fotovoltaïsche parameters, zei Zhou, zou een kleiner energieverschil tussen HTL en Cu kunnen leiden tot een hogere kortsluitstroomdichtheid (Jsc), terwijl een kleiner energieverschil tussen perovskiet en HTL zou kunnen leiden tot een hogere nullastspanning (Voc). Ten slotte zou het uitgebalanceerde energieverschil tussen perovskiet/HTL- en HTL/Cu-interfaces kunnen leiden tot matige Jsc en Voc, met name een hogere vulfactor (FF), wat uiteindelijk heeft bijgedragen aan de verbeterde stroomconversie-efficiëntie (PCE).

"De best presterende n-i-p PSC met de Cu-elektrode behaalde een PCE van 20,10% met de Voc van 1,084 V en FF van 78,77%," zei Zhou. "De apparaten vertoonden ook een goede stabiliteit, die na 1000 uur opslag op 92% van hun oorspronkelijke PCE zou kunnen blijven. Deze bevinding vergroot niet alleen het begrip van de banduitlijning van de aangrenzende functionele halfgeleiderlaag in de apparaatarchitectuur om de resulterende prestaties te verbeteren, maar suggereert ook een groot potentieel van de Cu-elektrode voor toepassing in de PSC-gemeenschap." + Verder verkennen

Oplosmiddeleffect op filmvorming en apparaatprestaties voor 2D Dion-Jacobson perovskiet-zonnecellen