Onderzoekers van Tokai University rapporteren in Nano-letters een systematische studie naar de effecten die het gebruik van verschillende vormen van titaniumoxide in vlakke perovskiet-zonnecellen heeft op de prestaties van de apparaten.

Perovskiet zonnecellen, met een huidige maximale stroomconversie-efficiëntie van 23 procent, veelbelovend voor het produceren van fotovoltaïsche energie via apparaten die gemakkelijk en goedkoop te fabriceren zijn. Planaire cellen zijn samengesteld uit een laag gemaakt van een licht oogstend materiaal met een structuur die onder de naam perovskiet gaat en dat is vaak een hybride organisch-anorganisch materiaal. In deze laag is het geabsorbeerde licht genereert ladingsdragers, elektron en gaten, die vervolgens worden verzameld, respectievelijk, in een elektronentransportlaag en in een gatentransportmateriaal, die de perovskietlaag sandwichen. Deze twee lagen zijn op hun beurt bedekt met elektroden, waarvan er één transparant is om het licht in het apparaat te laten. Het verbeteren van de prestaties van elk van deze elementen is belangrijk om de efficiëntie van de zonnecel te maximaliseren.

Md. Shahiduzzaman, Masao Isomura, Koji Tomita en collega's van de Tokai-universiteit richtten hun aandacht met name op de elektronentransportlaag. Het materiaal bij uitstek voor dit onderdeel is vaak titaniumoxide, waarvan de elektronische structuur het gemakkelijk maakt om elektronen uit de perovskietlaag te verzamelen. Titaanoxide heeft verschillende kristalpolymorfen, waaronder anatase, brookiet, en rutiel. Ze hebben verschillende structuren en eigenschappen en hun verschillende morfologieën beïnvloeden de kwaliteit van de perovskietlaag, dus de keuze van polymorf beïnvloedt de algehele prestaties van de zonnecel, en het begrijpen van deze invloed is belangrijk om de efficiëntie van apparaten te optimaliseren. In dit werk, de auteurs concentreerden zich op de anatase- en brookietvormen van titaniumoxide. Anatase is goedkoop, transparant en eenvoudig te integreren in de zonnecel en is dus een veel voorkomende keuze voor de elektronentransportlaag, maar brookiet heeft veelbelovende elektronische eigenschappen die kunnen leiden tot een betere efficiëntie van de zonnecel, en is nog niet op grote schaal onderzocht.

De auteurs gebruikten een milieuvriendelijke techniek bij lage temperatuur om sterk geleidende en enkelkristallijne brookiet-nanodeeltjes te bereiden die ze gebruikten om heterofase anatase-brookiet en brookiet-anatase-elektronentransportlagen te produceren. evenals lagen op basis van enkelfasige anatase en brookiet. Om de prestaties van de verschillende elektronentransportlagen te vergelijken, maten de onderzoekers hun morfologische, optische en structurele kenmerken, evalueerde de interface tussen de lagen en de perovskiet, en ten slotte de prestaties van de resulterende zonnecellen gemeten.

Ze ontdekten dat het gebruik van eenfasige brookiet resulteerde in een energie-efficiëntie van 14,92 procent, de hoogste prestatie die tot nu toe is gerapporteerd voor dit type elektronentransportlaag. De heterofaselagen resulteerden in prestaties tot 16,82 procent voor de anatase-brookietfase. Zoals de auteurs opmerken, "het huidige werk presenteert een effectieve strategie voor het ontwikkelen van elektronentransportlagen met heterofase-junctie en het manipuleren van de grensvlakenergieband om de prestaties van vlakke perovskiet-zonnecellen verder te verbeteren en de schone en milieuvriendelijke fabricage van goedkope massaproductie mogelijk te maken. "

Planaire perovskiet zonnecellen

Aan de ene kant van de zonnecel bevindt zich de eerste elektrode, een transparant geleidend oxide, typisch met fluor gedoteerd tinoxide (FTO) of indiumtinoxide (ITO), gevolgd door een elektronentransportlaag. Bovenop bevindt zich de lichtabsorberende laag gemaakt van het perovskietmateriaal - een materiaal met een ABX3-chemische formule, waarbij A en B twee positief geladen ionen aangeven, en X een negatief geladen ion —, dan een gatentransportmateriaal en tenslotte de tweede elektrode, die gewoonlijk van goud is gemaakt, zilver of koolstof. De elektronentransportlaag is niet altijd aanwezig, maar het vergemakkelijkt het transport van elektronen naar de elektrode en verbetert dus in het algemeen de efficiëntie en stabiliteit van het apparaat.

Energieconversie-efficiëntie en hoe deze wordt gemeten

Energieconversie-efficiëntie is de fractie van het invallende vermogen van de zon dat wordt omgezet in elektriciteit. De omstandigheden waaronder de efficiëntie wordt gemeten, moeten zorgvuldig worden gecontroleerd, omdat het rendement niet alleen afhangt van de eigenschappen van de zonnecel, maar ook op het spectrum en de intensiteit van het invallende zonlicht en op temperatuur. In het labortorium, zonnecellen worden getest bij 25 °C, rekening houdend met het feit dat zonlicht wordt gedempt door de atmosfeer voordat het het aardoppervlak bereikt (technisch wordt gezegd dat een luchtmassacoëfficiënt van 1,5, AM1.5, is gebruikt).