Een team van onderzoekers van de Nanjing University in China en de University of Toronto in Canada heeft onlangs all-perovskiet tandem zonnecellen (PSC's) gefabriceerd. een type zonnecel met een belangrijke perovskiet gestructureerde component. Deze nieuwe zonnecellen, gepresenteerd in een paper dat te zien is in Natuur Energie , opmerkelijke efficiëntie bereikten, beter presteren dan andere bestaande oplossingen.

"Het oorspronkelijke idee voor dit onderzoekswerk was om volledig perovskiet-tandemzonnecellen te maken die efficiënter zouden kunnen zijn dan enkelvoudige perovskiet-zonnecellen, "Haar Tan, de hoofdonderzoeker van het onderzoek, vertelde TechXplore.

Perovskieten zijn een groep mineralen die dezelfde kristalstructuur hebben als perovskiet, een gele, bruin of zwart mineraal dat grotendeels uit calciumtitanaat bestaat. De afgelopen jaren is verschillende onderzoeksteams over de hele wereld hebben geprobeerd zonnecellen te ontwikkelen met dit materiaal, meestal gebruikmakend van ofwel wide-bandgap (~1.8 eV) of narrow-bandgap (~1.2 eV) perovskieten.

Het fabriceren van all-perovskiet tandem zonnecellen, dus het combineren van wide-bandgap en narrow-bandgap perovskieten samen, zou kunnen leiden tot een hogere stroomconversie-efficiëntie (PCE's) dan die wordt bereikt door cellen met één junctie zonder de fabricagekosten te verhogen. Om dit nieuwe type zonnecel te bouwen, echter, onderzoekers moeten een manier vinden om de prestaties van elke subcel te verbeteren, terwijl ook de wide-bandgap- en narrow-bandgap-cellen synergetisch worden geïntegreerd.

"Helaas, eerder gerapporteerde gemengde Pb-Sn perovskiet-zonnecellen met smalle bandgap vertoonden lage efficiënties (PCE ~ 18-20 procent) en lage kortsluitstroomdichtheden (J _sc ~ 28-30 mA/cm ² ), " zei Tan. "Deze liggen ver onder hun potentieel, en onder de prestaties van de beste op Pb gebaseerde single-junction perovskietcellen."

De belangrijkste reden voor de slechte prestaties die zijn waargenomen in eerder ontwikkelde perovskiet-zonnecellen met smalle bandafstand, is dat een van hun belangrijkste componenten, bekend als Sn ²⁺ , oxideert gemakkelijk tot Sn ⁴⁺ . Als resultaat, de resulterende celfilm vertoont hoge valdichtheden en korte dragerdiffusielengtes. In hun studie hebben Tan en zijn collega's wilden oplossingen vinden die konden helpen om deze beperking te overwinnen.

"Ons hoofddoel in dit werk is het initiëren van een strategie om de diffusie van perovskiet-zonnecellen met smalle bandafstand te vergroten en zo beter presterende tandem-zonnecellen te bereiken, Tan zei. "Sn-vacatures worden meestal veroorzaakt door de oprichting van Sn ⁴⁺ (een product van Sn ²⁺ oxidatie) in de gemengde Pb-Sn perovskieten. We waren van mening dat een nieuwe strategie om de oxidatie van Sn . te voorkomen ²⁺ in de precursoroplossing zou de diffusielengte van de ladingsdrager drastisch kunnen verbeteren."

Tan en zijn collega's introduceerden een nieuwe chemische benadering die uiteindelijk de prestaties van PSC's zou kunnen verbeteren. Deze benadering is gebaseerd op een comproportioneringsreactie die leidt tot aanzienlijke verbeteringen in de diffusielengten van de ladingsdragers van gemengde Pb-Sn perovskieten met smalle bandgap.

Eerder voorgestelde benaderingen worden allemaal gekenmerkt door diffusielengtes van minder dan een micrometer, die de algehele efficiëntie van de cel kunnen aantasten. In hun werk, anderzijds, Tan en zijn collega's bereikten een diffusielengte van 3 m; een opmerkelijk resultaat dat prestatierecordbrekende Pb-Sn-cellen en all-perovskiet tandemcellen mogelijk maakt.

"We hebben dit bereikt door een strategie voor precursoroplossingen met gereduceerd tin te ontwikkelen die de Sn ⁴⁺ (een oxidatieproduct van Sn ²⁺ ) terug naar Sn ²⁺ via een comproportioneringsreactie in de voorloperoplossing, ' legde Tan uit.

De oxidatie van tinhoudende perovskieten is een cruciaal probleem geweest voor de ontwikkeling van zonnecellen met een perovskietcomponent, omdat het hun prestaties negatief kan beïnvloeden en dus hun toepassing in verschillende omgevingen kan belemmeren. De nieuwe chemische benadering die Tan en zijn collega's hebben geïntroduceerd, biedt een alternatieve route voor het vervaardigen van tandemzonnecellen met behulp van tinbevattend perovskiet met smalle bandgap, wat leidt tot stabielere en efficiëntere cellen.

"Ons werk benadrukt ook dat de elektronische kwaliteit van tinbevattende perovskieten vergelijkbaar kan zijn met die van loodhalogenideperovskieten die een efficiëntie hebben aangetoond die vergelijkbaar is met die van kristallijne siliciumcellen, Tan voegde toe. "We twijfelen er niet aan dat onze tandembenadering ons eindelijk een weg zal bieden naar zeer goedkope, maar zeer efficiënte zonne-apparaten."

In hun studie hebben Tan en zijn collega's gebruikten hun chemische benadering om monolithische all-perovskiet-tandemcellen te fabriceren en testten vervolgens hun prestaties. Ze ontdekten dat hun tandemcellen indrukwekkende onafhankelijk gecertificeerde PCE's van 24,8 procent behaalden voor apparaten met een klein oppervlak (0,049 cm ² ) en 22,1 procent voor apparaten met een groot oppervlak (1,05 cm ² ).

Bovendien, de cellen behielden 90 procent van hun prestaties na meer dan 400 uur te hebben gewerkt op hun maximale vermogen onder volle zon. In de toekomst, de aanpak die door dit team van onderzoekers is geïntroduceerd, zou de ontwikkeling van efficiëntere en kosteneffectievere apparaten op zonne-energie kunnen helpen.

"We zijn nu van plan om de energieconversie-efficiëntie van all-perovskiet tandem-zonnecellen verder te verbeteren tot meer dan 28 procent, Tan zei. "De eerste mogelijke manier om dit te bereiken is om het fotovoltageverlies in de perovskietzonnecel met brede bandgap te verminderen. Een andere mogelijkheid is om de optische verliezen in de tunnelrecombinatiejunctie te verminderen."

© 2019 Wetenschap X Netwerk