Perowskit-Solarzellen (PSCs) gelten als vielversprechender Kandidat für die Photovoltaik-Technologie der nächsten Generation mit hohem Wirkungsgrad und niedrigen Produktionskosten, die die Branche der erneuerbaren Energien möglicherweise revolutionieren wird. Der bestehende Schicht-für-Schicht-Herstellungsprozess bringt jedoch Herausforderungen mit sich, die die Kommerzialisierung dieser Technologie behindert haben. Kürzlich haben Forscher der City University of Hong Kong (CityU) und des National Renewable Energy Laboratory (NREL) in den USA gemeinsam einen innovativen Lösungsbeschichtungsansatz in einem Schritt entwickelt, der den Herstellungsprozess vereinfacht und die Kommerzialisierungsbarrieren für PSCs senkt.
„Die Reduzierung der Anzahl der Geräteverarbeitungsschritte ohne Einbußen bei der Geräteeffizienz wird dazu beitragen, die Prozesskomplexität und die Herstellungskosten zu reduzieren, was die Herstellbarkeit von PSCs verbessern wird“, erklärte Dr. Zhu Zonglong, Co-Leiter der Forschung und Assistenzprofessor an der Institut für Chemie an der CityU.
„Wir haben das Herstellungsproblem mit einem neuartigen Ansatz angegangen, um den lochselektiven Kontakt und die Perowskitschicht in einem einzigen Schritt gemeinsam zu verarbeiten, was zu einem hochmodernen Wirkungsgrad von 24,5 % und einer außergewöhnlichen Stabilität für invertierte Perowskit-Solarzellen führte. Dies hilft, die Kommerzialisierung der Technologie einen Schritt näher zu bringen“, sagte er.
Typischerweise werden PSCs in einem Schicht-für-Schicht-Prozess hergestellt, bei dem nacheinander verschiedene Schichten der Solarzelle übereinander abgeschieden werden. Obwohl dieser Ansatz bei der Herstellung von Hochleistungs-Perowskit-Solarzellen erfolgreich war, verursacht er Probleme, die ihre Kommerzialisierung behindern können, wie erhöhte Herstellungskosten, unbefriedigende Einheitlichkeit und Reproduzierbarkeit.
Um die Herstellbarkeit von PSCs zu verbessern, arbeitete Dr. Zhu mit Dr. Joseph M. Luther vom NREL zusammen, um gemeinsam einen neuen Ansatz zur Herstellung effizienter invertierter Perowskit-Solarzellen zu erfinden, bei denen sich der lochselektive Kontakt und der Perowskit-Lichtabsorber spontan in einem einzigen bilden können Lösungsbeschichtungsverfahren.
Sie fanden heraus, dass, wenn bestimmte Phosphon- oder Carbonsäuren zu Perowskit-Vorläuferlösungen hinzugefügt werden, sich die Lösung während der Perowskit-Filmverarbeitung auf dem Indium-Zinn-Oxid-Substrat selbst zusammensetzt. Sie bilden eine robuste selbstorganisierte Monoschicht als hervorragenden lochselektiven Kontakt, während der Perowskit kristallisiert. Dieses Einzellösungsbeschichtungsverfahren löst nicht nur Benetzbarkeitsprobleme, sondern vereinfacht auch die Geräteherstellung, indem anstelle des herkömmlichen Schicht-für-Schicht-Prozesses gleichzeitig sowohl der lochselektive Kontakt als auch der Perowskit-Lichtabsorber hergestellt werden.
Das neu entwickelte PSC-Gerät hat eine Leistungsumwandlungseffizienz von 24,5 % und kann selbst nach 1.200 Betriebsstunden am maximalen Leistungspunkt bei kontinuierlicher Beleuchtung mehr als 90 % seiner anfänglichen Effizienz beibehalten. Seine Effizienz ist mit der vergleichbarer PSCs auf dem Markt vergleichbar.
Das kollaborative Team zeigte auch, dass der neue Ansatz mit verschiedenen selbstorganisierten Monoschicht-Molekülsystemen, Perowskit-Zusammensetzungen, Lösungsmitteln und skalierbaren Verarbeitungsmethoden wie Spin-Coating- und Blade-Coating-Techniken kompatibel ist. Und die mit dem neuen Ansatz hergestellten PSC haben eine vergleichbare Leistung wie die mit anderen Methoden hergestellten.
„Durch die Einführung dieses innovativen Ansatzes hoffen wir, einen Beitrag zur Perowskit-Forschungsgemeinschaft zu leisten, indem wir ein einfacheres Verfahren zur Herstellung von Hochleistungs-Perowskit-Solarzellen vorschlagen und möglicherweise den Prozess ihrer Markteinführung beschleunigen“, sagte Dr. Zhu.
Das Forschungsteam plant, die Beziehung zwischen selbstorganisierten Monoschicht-Molekülstrukturen und Perowskit-Vorläufern weiter zu untersuchen, um eine optimale Gruppe selbstorganisierter Monoschicht-Moleküle für diese Technik zu identifizieren und dadurch die Gesamtleistung der PSCs zu verbessern.