Perowskit-Solarzellen gehören zu den vielversprechendsten Photovoltaik-Technologien der Zukunft und bieten breite Anwendungsmöglichkeiten in bodengestützten Kraftwerken, gebäudeintegrierter Photovoltaik sowie der Energieversorgung im Weltraum. Hocheffiziente großflächige Bauelemente sind ein wichtiger Schritt zur Kommerzialisierung von Perowskit-Solarzellen. Derzeit liegt der photoelektrische Umwandlungswirkungsgrad kleiner Laborsolarzellen bereits bei über 27 %, jedoch tritt bei der Vergrößerung der Bauelementfläche ein drastischer Effizienzabfall auf. Die Hauptherausforderung besteht darin, dass zur Verbesserung der Gleichmäßigkeit von Perowskit-Dünnschichten bei der Herstellung großflächiger Bauelemente häufig niedrigkonzentrierte Lösungen verwendet werden, um die Viskosität zu verringern. Diese Methode führt jedoch zu einer verkürzten Kristallisationsfensterzeit und einer zu schnellen lokalen Kristallisation, was eine geringere Kristallqualität der Schicht und eine niedrigere Modul-Effizienz zur Folge hat. Daher ist die gleichzeitige Erzielung einer „großflächigen gleichmäßigen Beschichtung“ und einer „hochwertigen Kristallisation“ der Schlüssel zur Herstellung hocheffizienter großflächiger Module.
Kürzlich schlug das Forschungsteam um Professor You Jingbi vom Institut für Halbleiter der Chinesischen Akademie der Wissenschaften eine Strategie zur „Regulierung stabiler Zwischenphasen“ vor. Durch die innovative Einführung eines bifunktionellen Additivs gelang es ihnen, großflächige Perowskit-Dünnschichten mit hoher Kristallqualität und hervorragender Gleichmäßigkeit herzustellen. Dadurch konnte der Effizienzverlust großflächiger Batteriemodule von einem Effizienzabfall von 2,0 % pro Größenordnung der Flächenvergrößerung auf 1,3 % reduziert werden, was sich dem Branchen-Benchmark von 0,8 % für kommerzielle Cadmiumtellurid-Dünnschichtsolarzellen annähert.
Die Kerninnovation dieser Strategie liegt in der Entdeckung des Forschungsteams, dass das N-Crotonylglycin-Molekül sowohl eine Amid- als auch eine Carboxylgruppe enthält, die starke Koordinationsbindungen mit Bleiiodid eingehen können. Während des Schichtbildungsprozesses aus einer niedrigkonzentrierten Vorläuferlösung wirkt das Additivmolekül wie ein „Lösungsmittel-Pufferspeicher“, der die normalerweise instabile δ-FAPbI3-Zwischenphase effektiv stabilisiert und die Umwandlungsbarriere zur photoaktiven α-FAPbI3-Phase signifikant von 0,21 Elektronenvolt auf 0,84 Elektronenvolt erhöht, wodurch der Keimbildungs- und Wachstumsprozess des Perowskit-Materials verlangsamt wird.
Basierend auf dieser Strategie stellte das Forschungsteam Perowskit-Solarmodule unterschiedlicher Größe her, deren Leistung international führend ist: Das 14,6 cm² große Modul erreichte einen stabilen zertifizierten Wirkungsgrad von 24,4 %, was den höchsten jemals berichteten zertifizierten Wirkungsgradrekord für Batteriemodule ab 10 cm² darstellt. Das 70,5 cm² große Modul erzielte einen Wirkungsgrad von 23,1 %, und das 285,6 cm² große Modul erreichte 22,4 %. Unter einer Sonneneinstrahlung (1 Sonne) behielt ein Modul mit einer effektiven Fläche von 155 cm² nach 1053 Stunden Alterung am maximalen Leistungspunkt noch 86 % seiner anfänglichen Effizienz.
Diese Arbeit schlägt innovativ ein Verfahren zur Steuerung des Wachstums großflächiger Perowskit-Materialien vor und liefert wichtige Impulse für den Übergang der Perowskit-Photovoltaik-Technologie vom Labor zur großtechnischen Fertigung.
Die Forschungsergebnisse wurden unter dem Titel „Stable intermediate phase regulation for high-performance and scalable perovskite solar cells“ im Journal of Semiconductors („Journal of Semiconductors“) veröffentlicht. Der Doktorand Cai Kai vom Institut für Halbleiter ist der Erstautor, während der Postdoktorand Zhou Haitao und Professor You Jingbi vom selben Institut die gemeinsamen Korrespondenzautoren sind.
Diese Arbeit wurde durch das Nationale Schlüsselforschungs- und Entwicklungsprogramm Chinas, das Vorläuferprojekt der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, das stabil unterstützte Grundlagenforschungsteam der Chinesischen Akademie der Wissenschaften sowie die Xiamen Fengyu Photoelectric Technology Co., Ltd. gefördert.