Een internationaal team van universitaire onderzoekers rapporteert vandaag dat ze een grote fabricage-uitdaging voor perovskietcellen hebben opgelost - de intrigerende potentiële uitdagers van op silicium gebaseerde zonnecellen.

Deze kristallijne structuren zijn veelbelovend omdat ze bijna alle golflengten van licht kunnen absorberen. Perovskiet-zonnecellen worden al op kleine schaal gecommercialiseerd, maar recente enorme verbeteringen in hun stroomconversie-efficiëntie (PCE) wekken de interesse om ze te gebruiken als goedkope alternatieven voor zonnepanelen.

In het omslagartikel dat vandaag online is gepubliceerd voor 28 juni, 2018 uitgave van nanoschaal , een publicatie van de Royal Society of Chemistry, het onderzoeksteam onthult een nieuwe schaalbare manier om een ​​kritische component toe te passen op perovskietcellen om een ​​aantal grote fabricage-uitdagingen op te lossen. De onderzoekers waren in staat om de kritische elektronentransportlaag (ETL) in perovskiet fotovoltaïsche cellen op een nieuwe manier aan te brengen - spraycoating - om de ETL te doordrenken met superieure geleidbaarheid en een sterke interface met zijn buur, de perovskietlaag.

Het onderzoek wordt geleid door André D. Taylor, een universitair hoofddocent aan de afdeling Chemische en Biomoleculaire Engineering van de NYU Tandon School of Engineering, met Yifan Zheng, de eerste auteur van het papier en een onderzoeker van de Universiteit van Peking. Co-auteurs zijn van de University of Electronic Science and Technology of China, Yale universiteit, en de Johns Hopkins-universiteit.

De meeste zonnecellen zijn "sandwiches" van materialen die zo gelaagd zijn dat wanneer licht het celoppervlak raakt, het prikkelt elektronen in negatief geladen materiaal en zet een elektrische stroom op door de elektronen naar een rooster van positief geladen 'gaten' te bewegen. In perovskiet-zonnecellen met een eenvoudige vlakke oriëntatie genaamd p-i-n (of n-i-p wanneer omgekeerd), de perovskiet vormt de lichtvangende intrinsieke laag (de "i" in p-i-n) tussen de negatief geladen ETL en een positief geladen gattransportlaag (HTL).

Wanneer de positief en negatief geladen lagen worden gescheiden, de architectuur gedraagt ​​zich als een subatomair spel van Pachinko waarin fotonen van een lichtbron onstabiele elektronen losmaken van de ETL, waardoor ze naar de positieve HTL-kant van de sandwich vallen. De perovskietlaag versnelt deze stroom. Terwijl perovskiet een ideale intrinsieke laag vormt vanwege zijn sterke affiniteit voor zowel gaten als elektronen en zijn snelle reactietijd, fabricage op commerciële schaal is een uitdaging gebleken, deels omdat het moeilijk is om effectief een uniforme ETL-laag over het kristallijne oppervlak van de perovskiet aan te brengen.

De onderzoekers kozen de verbinding [6, 6]-fenyl-C(61)-boterzuurmethylester (PCBM) vanwege zijn track record als ETL-materiaal en omdat PCBM aangebracht in een ruwe laag de mogelijkheid biedt tot verbeterde geleidbaarheid, minder doordringbaar interfacecontact, en verbeterde lichtvangst. "Er is zeer weinig onderzoek gedaan naar ETL-opties voor het vlakke p-i-n-ontwerp, " zei Taylor. "De belangrijkste uitdaging in vlakke cellen is, hoe monteer je ze op een manier die de aangrenzende lagen niet vernietigt?"

De meest gebruikelijke methode is spingieten, waarbij de cel wordt rondgedraaid en centripetale kracht wordt toegestaan ​​​​om de ETL-vloeistof over het perovskietsubstraat te verspreiden. Maar deze techniek is beperkt tot kleine oppervlakken en resulteert in een inconsistente laag die de prestaties van de zonnecel verlaagt. Spingieten is ook onnavolgbaar voor de commerciële productie van grote zonnepanelen met methoden als roll-to-roll fabricage, waarvoor de flexibele p-i-n vlakke perovskiet-architectuur verder goed geschikt is.

De onderzoekers wendden zich in plaats daarvan tot spraycoaten, die de ETL gelijkmatig over een groot gebied toepast en geschikt is voor het vervaardigen van grote zonnepanelen. Ze rapporteerden een efficiëntiewinst van 30 procent ten opzichte van andere ETL's - van een PCE van 13 procent tot meer dan 17 procent - en minder defecten.Toegevoegd Taylor, "Onze aanpak is beknopt, zeer reproduceerbaar, en schaalbaar. Het suggereert dat spraycoating van de PCBM ETL een brede aantrekkingskracht zou kunnen hebben op het verbeteren van de efficiëntiebasis van perovskiet-zonnecellen en in de nabije toekomst een ideaal platform biedt voor recordbrekende p-i-n perovskiet-zonnecellen."