Forscher der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) haben eine Viertterminal-Tandemsolarzelle entwickelt, die eine Breitbandlücken-Perowskitzelle als obere Zelle und eine Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS)-Zelle als untere Zelle verwendet. Durch Koordinationsengineering wurde das Stabilitätsproblem des Breitbandlücken-Perowskitmaterials gelöst. Das Tandemgerät behielt nach 2000 Stunden Dauerbetrieb über 91 % seiner anfänglichen Effizienz bei und erreichte eine Gesamteffizienz von 29,71 %.
Die Breitbandlücken-Perowskit-Absorberschicht leidet seit langem unter Leistungsabfall, der durch lichtinduzierte Phasentrennung und Halogenidionenwanderung verursacht wird. Das Forschungsteam wies darauf hin, dass unterkoordinierte Bleidefekte und damit verbundene Halogenidleerstellen die entscheidenden Faktoren für die Instabilität sind – diese Defekte wirken nicht nur als Rekombinationszentren und stören die lokale Gitterumgebung, sondern bieten auch Kanäle für die Halogenidionenwanderung. Herkömmliche Nachbehandlungs-Passivierungsstrategien können zwar nach der Kristallisation einige Defekte reduzieren, haben jedoch nur begrenzte Kontrolle über die Defektbildung während des Dünnschichtwachstums, und die lichtinduzierte Halogenidentmischung ist bei langfristigem Betrieb weiterhin schwer zu unterdrücken.
Zu diesem Zweck verwendeten die Forscher die schwefelhaltige organische Verbindung Bis(2-pyridylmethyl)sulfid (2PyS), um die lokale Koordinationsumgebung von Bleiionen (Pb) in der Perowskitschicht präzise zu regulieren. Die Bindungsstärke von 2PyS zu Bleiiodid (PbI₂) ist höher als die der gängigen Lösungsmittel Dimethylformamid (DMF) und Dimethylsulfoxid (DMSO), wodurch die Koordinationsumgebung der Bleiionen während der Perowskitbildung effektiver reguliert und somit der Kristallisationsprozess beeinflusst werden kann. In-situ-Photolumineszenzmessungen zeigten, dass 2PyS die Kristallisationskinetik reguliert, die schnelle Keimbildung unterdrückt und ein gleichmäßigeres Dünnschichtwachstum fördert, was letztendlich die nichtstrahlende Rekombination reduziert und die strukturelle Integrität sowie Phasenstabilität verbessert.
Die obere Perowskitzelle besteht aus einer Indiumzinnoxid (ITO)-Frontelektrode, einer Nickeloxid (NiOx)-Lochtransportschicht, einer selbstorganisierenden Monoschicht (SAM)-Grenzflächenschicht, der Perowskit-Photoabsorberschicht, einer C60-Fulleren-Elektronentransportschicht, einer Zinnoxid (SnO₂)-Pufferschicht, einer ITO-transparenten Elektrode und einem Silber (Ag)-Metallkontakt. Die untere CIGS-Teilzelle besteht aus einer Molybdän (Mo)-Rückelektrode, der CIGS-Absorberschicht, einer Cadmiumsulfid (CdS)-Pufferschicht und einer Zinkoxid-basierten Fensterschicht (undotiertes Zinkoxid i-ZnO und aluminiumdotiertes Zinkoxid Al:ZnO).
Die Testergebnisse zeigten, dass die eigenständige CIGS-Unterzelle unter Vollspektrum-Beleuchtung eine Leistungsumwandlungseffizienz von 19,65 % erreichte; unter der halbtransparenten Perowskit-Oberzelle betrieben, sank die Effizienz der Teilzelle aufgrund der durch spektrale Filterung reduzierten verfügbaren einfallenden Strahlung auf 7,5 %. Die Oberzelle erreichte eine Effizienz von 22,21 %, und das integrierte Viertterminal- (4T) Tandemgerät erzielte eine Gesamteffizienz von 29,71 %. Das Forschungsteam gab an, dass dies eine der höchsten bisher berichteten Effizienzen für Perowskit/CIGS-Viertterminal-Tandemsolarzellen ist.
Die entsprechenden Ergebnisse wurden unter dem Titel „Coordination-regulated defect suppression enables stable wide-bandgap perovskites for efficient perovskite/CIGS tandem solar cells" in IPOScience veröffentlicht.