de.wedoany.com-Bericht: Einem Forschungsteam der chinesischen Soochow-Universität ist es gelungen, durch die Co-Assemblierung zweier Carbazol-basierter Moleküle eine bimolekulare Grenzschicht für invertierte Perowskit-Solarzellen zu entwickeln. Unter Standard-Lichtbedingungen wurde eine Leistungsumwandlungseffizienz von 27,3 % erzielt. Diese Grenzschicht soll die Grenzflächenchemie und -struktur kontrollieren, indem sie die molekulare Ordnung fixiert, Defekte und Spannungen reduziert und so eine effizientere Ladungsextraktion ermöglicht, was zu hocheffizienten und stabilen Solarzellen führt.
Invertierte Perowskit-Solarzellen verwenden eine p-i-n-Bauteilstruktur, bei der sich die lochselektive Kontaktschicht unterhalb der intrinsischen Perowskitschicht und die Elektronentransportschicht darüber befindet; herkömmliche Halogenid-Perowskit-Solarzellen weisen dagegen eine n-i-p-Anordnung mit genau umgekehrter Reihenfolge auf. Die Forscher geben an, dass der bimolekulare Ansatz darauf abzielt, Defekte und chemische Instabilitäten an der Grenzfläche zwischen Perowskit und Transportschicht durch verbesserte molekulare Ordnung und Passivierung zu unterdrücken, gleichzeitig die Ladungsextraktion zu verstärken und nichtstrahlende Verluste zu reduzieren.
Die Forschungsstrategie bestand darin, 9H-Carbazol-2-yl-trifluormethansulfonat (CzOTf) zu einer aus der üblichen Phosphonsäure (methylsubstituiertes Carbazol, Me-4PACz) hergestellten Lochtransportschicht hinzuzufügen. CzOTf ersetzt nicht die ursprüngliche Lochtransportschicht, sondern wird an der Grenzfläche zwischen Nickeloxid (NiOx) und dem Perowskit mit Me-4PACz co-assembliert und in die molekulare Monoschichtstruktur integriert. Diese Zugabe ermöglicht komplementäre Funktionen: Me-4PACz erhält den effizienten lochselektiven Kontakt aufrecht und verankert sich mit NiOx, während CzOTf die molekulare Packung verstärkt, die Oberflächenbedeckung erhöht und durch die Sulfonatgruppe zusätzliche chemische Funktionalität einführt. Zusammen bilden sie eine gleichmäßigere und stark wechselwirkende Grenzschicht, die die elektronische Kopplung, die Defektpassivierung und die Grenzflächenstabilität verbessert. Rasterelektronenmikroskopie (REM) zeigt, dass das auf Me-4PACz basierende Kontroll-Perowskit an der unteren Grenzfläche weit verbreitete Pinhole-Defekte und Diskontinuitäten aufweist, während der mit CzOTf modulierte Film eine dichtere, kompaktere und pinhole-unterdrückte Grenzschicht bildet. Das Forschungsteam gibt an, dass die CzOTf-Modulation zu einer Freisetzung der Zugspannung im Perowskitfilm führt.
Das Bauteil verwendet eine Standard-n-i-p-Invertstruktur, basierend auf einem transparenten, fluordotierten Zinnoxid (FTO)-Substrat, auf das eine NiOx-Lochtransportschicht aufgebracht wird. Nach der Modifikation mit der co-assemblierten Me-4PACz+CzOTf-Grenzschicht werden die Perowskit-Absorberschicht, eine Fulleren (C60)-Elektronentransportschicht, eine dünne BCP-Pufferschicht (Bathocuproin) abgeschieden, und schließlich wird der Stapel durch thermisches Aufdampfen einer Silber (Ag)-Rückelektrode vervollständigt. Tests ergaben eine Leistungsumwandlungseffizienz von 27,3 %, eine Leerlaufspannung von 1,185 V, eine Kurzschlussstromdichte von 26,30 mA cm² und einen Füllfaktor von 87,64 % für diese Zelle. Das Referenzbauteil ohne bimolekularen Ansatz erreichte eine Effizienz von 26,20 %, eine Leerlaufspannung von 1,172 V, eine Kurzschlussstromdichte von 26,05 mA cm² und einen Füllfaktor von 85,79 %. Nach der Skalierung der CzOTf-modulierten Perowskit-Solarzelle auf eine aktive Fläche von 766 cm² wurden eine Leistungsumwandlungseffizienz von 21,54 %, eine Leerlaufspannung von 50,93 V, ein Kurzschlussstrom von 0,4040 A und ein Füllfaktor von 80,20 % demonstriert.
In Bezug auf die Stabilität behielt die CzOTf-modulierte Perowskit-Solarzelle nach 2000 Stunden kontinuierlicher Beleuchtung 92 % ihrer Anfangseffizienz. Das CzOTf-modulierte großflächige Modul arbeitete 35 Tage lang stabil im Freien, ohne Degradation zu zeigen. Die entsprechende Arbeit zu dieser neuartigen Solarzellenarchitektur wurde in der Fachzeitschrift „Science Advances“ unter dem Titel „27,3 % Perowskit-Photovoltaik durch grenzflächenverriegelten bimolekularen Kontakt“ veröffentlicht.
