Een team van onderzoekers, aangesloten bij UNIST heeft een nieuwe elektrode bedacht die de stabiliteit van perovskiet-zonnecellen (PSC's) aanzienlijk zou kunnen verbeteren, de meest veelbelovende kandidaat voor de volgende generatie zonnecellen vanwege hun lage kosten en hoge energieconversie-efficiëntie. Dit komt omdat het plaatsen van een beschermingslaag tussen de op metaal gebaseerde elektrode en de perovskietfilm door metaal veroorzaakte degradatie kan voorkomen en dat grafeen, als zo'n laag, kan de diffusie van metalen en halogenide-ionen effectief onderdrukken.

Deze doorbraak werd geleid door professor Hyesung Park en zijn onderzoeksteam in de School of Energy and Chemical Engineering van UNIST. In hun werk, het onderzoeksteam ontwikkelde een flexibel op metalen rooster gebaseerd hybride elektrodeplatform door gebruik te maken van een Cu grid-ingebedde polyimide (CEP) film met een grafeenvel als de beschermingslaag (GCEP), die een hoge elektrische geleidbaarheid vertoonden, uitstekende chemische stabiliteit en mechanische duurzaamheid. De ontwikkeling demonstreert de cruciale rol van grafeen als beschermingslaag om metaalgeïnduceerde degradatie en halogenidediffusie tussen de elektrode en de perovskietlaag te voorkomen.

Op metaaloxide gebaseerde elektroden (ITO's) zijn gebruikt als conventionele transparante geleidende elektroden, maar hun onbuigzaamheid zorgt ervoor dat ze gemakkelijk breken of breken, waardoor ze ongeschikt zijn voor draagbare apparaattoepassingen. Vooral, het belangrijkste obstakel voor de toepassing van op metaal gebaseerde transparante geleidende elektroden (TCE) in PSC's is de degradatie die wordt veroorzaakt door de interdiffusie van metalen en halogenide-ionen tussen de metaalelektrode en de perovskietlaag.

De onderzoekers losten het probleem op door een grafeenvel als beschermingslaag aan te brengen op het grensvlak van de metaalelektrode/perovskietlaag. Grafeen heeft een hoge elektrische geleidbaarheid, waardoor elektronen er gemakkelijk doorheen kunnen bewegen. Echter, de uitstekende ondoordringbaarheid van grafeen voorkomt de permeatie van zelfs het kleinste molecuul.

"Grafeen kan een effectieve diffusiebarrière zijn als het wordt gecombineerd met metalen nanostructuren met een uitstekende ondoordringbaarheid voor metaal- en halogenide-iondiffusie op het grensvlak van de metaalelektrode / perovskietlaag, verbeterde ladingsverzameling over de lege ruimten van de metalen nanostructuren, minimaal verlies van optische transmissie als beschermingslaag vanwege de hoge optische transparantie, en verbetering van de mechanische duurzaamheid van de hybride elektrode, " merkte het onderzoeksteam op.

De onderzoekers gebruikten deze transparante en flexibele hybride elektrode om flexibele metalen TCE-gebaseerde PSC's te fabriceren, het bereiken van een goede chemische en mechanische stabiliteit. Dit apparaat behaalde een hoge PCE (16,4%) vergelijkbaar met die van zijn ITO-gebaseerde rigide tegenhanger (17,5%). Ze verifieerden ook de rol van de grafeenlaag bij het waarborgen van de chemische stabiliteit van de zonnecellen door de interdiffusie van metaal- en halogenide-ionen te voorkomen. In aanvulling, de GCEP-elektrode verbeterde de PSC-fotostabiliteit door het ultraviolette (UV) en bijna-UV-licht te blokkeren. Het behield ook meer dan 97,5% van de initiële efficiëntie, zelfs na 1, 000 uur. In aanvulling, na 5, 000 buigproeven, het vertoonde een uitstekende mechanische duurzaamheid, zoals het behoud van 94% van de initiële efficiëntie, en dus was het van toepassing op draagbare apparaten van de volgende generatie.

"Dit artikel laat zien dat het plaatsen van een beschermingslaag tussen de op metaal gebaseerde elektrode en de perovskietfilm de door metaal veroorzaakte degradatie kan voorkomen en dat grafeen, als zo'n laag, kan de diffusie van metalen en halogenide-ionen effectief onderdrukken, ", zegt Gyujeong Jeong (gecombineerd MS/Ph.D.-programma Energie en Chemische Technologie, UNISt), de eerste auteur van de studie.

"De nieuwe methode heeft zowel de efficiëntie als de stabiliteit van PSC's aanzienlijk verbeterd, ", zegt professor Park. "Dit werk biedt een effectieve strategie om mechanisch en chemisch robuuste ITO-vrije, metaalondersteunde TCE-platforms in PSC's te ontwerpen."