de.wedoany.com-Bericht: Ein internationales Forschungsteam hat ein neuartiges Raumtemperatur-Kristallisationsverfahren namens Selective Iodoplumbate Cold Casting (SICC) entwickelt, um Perowskit-Solarzellen und -Module mit 2D/3D-Heterostruktur herzustellen, die angeblich die Stabilität und Effizienz der Bauteile verbessern.
Herkömmliche 2D-Perowskit-Zellen sind aufgrund des Schutzes durch organische Liganden stabiler als 3D-Bauteile, weisen jedoch eine größere Exzitonen-Bindungsenergie auf. Der korrespondierende Autor Aditya D. Mohite von der Rice University erklärte gegenüber pv magazine: „Wir haben eine neue Raumtemperatur-Kristallisationsmethode namens Selective Iodoplumbate Cold Casting (SICC) entwickelt, die kinetisch stabile Perowskit-Phasen ermöglicht, die mit herkömmlicher thermodynamischer Verarbeitung nicht erreichbar sind.“ Diese Strategie erzeugt gleichmäßige 2D-Schichten, die den Ladungstransport außerhalb der Ebene in 3D:2D-Doppelschicht-Bauteilen verbessern und in kleinen Zellen Wirkungsgrade von über 25 % sowie in großflächigen Photovoltaik-Modulen von über 22 % erzielen.
Die Studie wurde in Nature Synthesis unter dem Titel „Selective Iodoplumbate Cold Casting für kinetisch stabile Perowskite ermöglicht hocheffiziente Photovoltaik-Module“ veröffentlicht. Die Forscher weisen darauf hin, dass SICC durch Lösungsmitteldesign die Vorläuferchemie steuert und ungewöhnliche niedrigdimensionale Perowskit-Kristallstrukturen ermöglicht, darunter die im Methylammonium-System schwer erhältliche wellenförmige MA₂PbI₄-Phase. „Der SICC-Prozess bildet selektiv vereinfachte Iodoplumbat-Spezies und ermöglicht eine schnelle und hochphasenreine Kristallisation ohne thermisches Ausheizen“, ergänzte Mohite. Durch Mischen von Lösungsmitteln mit unterschiedlichen Donorzahlen wie Acetonitril und N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) förderte das Team gezielt die Bildung von Iodoplumbat-Spezies.
Im Gegensatz zu herkömmlichen 2D-Perowskiten mit niedrigem n-Wert, deren Leistung durch isolierende horizontale Anordnungen eingeschränkt ist, bieten SICC-Filme einen effizienten vertikalen Ladungsträgertransport und eine vorteilhafte Bandausrichtung mit 3D-Perowskiten. „Die durch SICC gewachsenen 2D-Schichten verbessern die Qualität und Gleichmäßigkeit der 3D:2D-Heterostruktur erheblich, was zu höherer Effizienz, geringerer Hysterese und verbesserter Betriebsstabilität führt“, betonte Mohite.
Basierend auf dieser Technologie entwickelten die Forscher Perowskit-Solarzellen mit einer aktiven Fläche von 0,094 cm². Der Zellaufbau umfasst ein fluordotiertes Zinnoxid (FTO)-Substrat, eine Zinnoxid (SnO₂)-Elektronentransportschicht (ETL), eine 3D-Perowskit-Absorberschicht, eine 2D-Perowskit-Schicht, eine Spiro-OMeTAD-basierte Lochtransportschicht (HTL) und eine Gold (Au)-Elektrode. Die 3D/2D-Doppelschichtstruktur wird durch einen festphasen-in-plane-Wachstumsprozess unter Integration einer Butylammonium-Bleiiodid (BA₂PbI₄)-2D-Perowskit-Schicht gebildet, wobei die Doppelschicht bei einem Druck von 60 MPa und Temperaturen zwischen 60 °C und 85 °C verpresst wird.
Für die Skalierung stellte das Team auf 7,1 cm × 7,1 cm großen Substraten Mini-Module her, die jeweils aus 10 monolithisch verschalteten Subzellen bestehen, mit einer aktiven Fläche von 25 cm². Die Verschaltung erfolgte mittels P1-, P2- und P3-Laserlinierung mit einem 532 nm-Pikosekundenlaser, wobei die Linienbreiten 25 μm, 120 μm bzw. 110 μm betrugen. Das optimierte Strukturierungsverfahren ergab einen geometrischen Füllfaktor von 94,36 %. Die Bauteile wurden unter Standard-AM1.5G-Beleuchtung bei 100 mW/cm² getestet. Die kleine Zelle erreichte eine Leistungsumwandlungseffizienz von 25,14 %, das 25 cm² große Mini-Modul 22,36 %. Bei Stabilitätstests behielten die mit UV-härtendem Harz und 1,1 mm dickem Glasdeckel verkapselten Module unter kontinuierlichem 1-Sonnen-Betrieb über 1000 Stunden mehr als 90 % ihrer Anfangseffizienz.
Mohite fasste zusammen: „Unsere Ergebnisse zeigen, dass niedrigdimensionale Perowskite als kinetische Produkte und nicht als rein thermodynamische Materialien verstanden und gestaltet werden sollten. Unsere Arbeit bietet einen skalierbaren Weg, um stabile niedrigdimensionale Perowskite in die nächste Generation hocheffizienter Solarmodule und Tandem-Photovoltaik zu integrieren.“
Zu den an der Studie beteiligten Institutionen gehören die Seoul National University (Südkorea), das Korea Institute of Industrial Technology (Südkorea), das südkoreanische Perowskit-Start-up Frontier Energy Solution (FES), die Rice University und die Northwestern University (USA) sowie das Institut Fonctions Optiques pour les Technologies de l’Information (Frankreich).
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