Chinesisches Team um die Hebei University of Technology erreicht mit neuer Molekülstrategie 27,39 % Effizienz bei Perowskit-Solarzellen

de.wedoany.com-Bericht: Ein Forschungsteam der Hebei University of Technology, der Jiaxing Nanhu University und der Tianjin University schlägt eine Strategie zum Moleküldesign mit sterisch abgeschirmter Zweistellen-Chelatisierung (SGDC) für Perowskit-Solarzellen vor. Durch die Reduzierung von Defekten in der Perowskit-Schicht wird die Effizienz der Laborzellen auf 27,39 % gesteigert, und auf bifazialen Mini-Modulen mit einer Fläche von über 150 Quadratzentimetern wird eine Leistungsumwandlungseffizienz von über 22 % erreicht.

Während des schnellen Kristallisationsprozesses hinterlassen Perowskit-Schichten feine Defekte an der Oberfläche, an Korngrenzen und an der vergrabenen Grenzfläche. Cong Chen, Erstautor der Studie, erklärt, dass molekulare Additive zwar diese Unvollkommenheiten mildern können, das Design jedoch eine Balance erfordert: Starke Wechselwirkungen sind vorteilhaft für die Passivierung von Defekten, während übermäßige Molekülansammlungen oder die Bildung isolierender Grenzflächenschichten wiederum den Ladungstransport behindern können. Die Additivtechnik bietet damit einen praktischen Weg, durch die Regulierung der Kristallisation gleichzeitig elektronische Defekte zu passivieren. Ideale Additive sollten stark an Defekte binden, den Ladungstransport nicht blockieren und idealerweise zusätzlichen Schutz vor Umgebungsbelastungen für das Bauelement bieten.

Das von dem Team vorgeschlagene SGDC-Moleküldesign besteht aus einem starren dreidimensionalen Adamantan-Gerüst mit zwei Carboxymethyl-Koordinationsarmen, das eine starke Chelatisierung von unterkoordinierten Bleiionen (Pb²⁺) ermöglicht und die lokale Molekülpackung sterisch reguliert. Das von den Forschern verwendete Adamantan-basierte Moleküladditiv heißt ADA-DA; seine beiden Carboxymethylgruppen können gleichzeitig mit unterkoordiniertem Pb²⁺ koordinieren, während der starre dreidimensionale Adamantan-Kern dazu dient, die Molekülpackung zu kontrollieren und übermäßige Grenzflächenansammlungen zu vermeiden. Chen erläutert, dass diese Kombination eine sterisch abgeschirmte Zweistellen-Chelatisierung ermöglicht, die Defekte stark passiviert, ohne den Ladungstransport zu behindern; experimentelle Messungen bestätigten, dass ADA-DA starke Wechselwirkungen sowohl mit Blei- als auch mit Iodionen zeigt.

Die mit dieser Strategie hergestellten Perowskit-Schichten weisen größere Kristallite, weniger Korngrenzen und eine dichtere, glattere Morphologie auf. ADA-DA-Moleküle sind in der gesamten Perowskitschicht verteilt und sammeln sich bevorzugt an Oberflächen und Korngrenzen an – den Bereichen, die am meisten Passivierung benötigen. Elektrische Messungen zeigen, dass sowohl die Elektronen- als auch die Loch-Trap-Dichte deutlich reduziert sind.

Das vom Forschungsteam hergestellte Bauelement weist eine invertierte p-i-n-Struktur auf, bestehend aus einem ITO-Substrat, einer Lochtransportschicht aus Nickeloxid (NiOₓ) und einer selbstorganisierten Monoschicht, einer Perowskit-Absorberschicht, einer Fulleren (C60)-Elektronentransportschicht, einer Bathocuproin (BCP)-Pufferschicht und einer Silberelektrode; die mit ADA-DA versetzte Perowskitschicht wurde mittels Vakuum-Flash-Verdampfungskristallisation abgeschieden. Unter Standardbeleuchtungsbedingungen erreichte das Bauelement eine Leistungsumwandlungseffizienz von 27,39 %, während die Referenzzelle ohne diese Strategie 26,24 % erreichte. Das Forschungsteam gibt an, dass dieses Ergebnis von einem unabhängigen Drittinstitut, dessen Name nicht genannt wurde, zertifiziert wurde.

Bei der Hochskalierungsvalidierung erweiterte das Team die ADA-DA-modifizierten Zellen zu bifazialen Mini-Modulen, wobei auf beiden Seiten entweder transparentes ITO oder Indium-Zink-Oxid (IZO)-Elektroden verwendet wurden. Ein 13-Zellen-Modul mit einer Fläche von 163,93 Quadratzentimetern erreichte eine Spitzen-Leistungsumwandlungseffizienz von 22,21 %, wenn es von der Glas/ITO-Seite beleuchtet wurde; ein 12-Zellen-Modul mit einer Fläche von 151,32 Quadratzentimetern erreichte eine Spitzeneffizienz von 22,33 %, wenn es von der IZO-Seite beleuchtet wurde. Chen erklärt, dass die bifaziale Struktur hohe Effizienz mit Transparenz und beidseitiger Lichteinstrahlung kombiniert und sich für gebäudeintegrierte Photovoltaik (BIPV) eignet.

Bei Stabilitätstests lief das ADA-DA-Modul mit einer Fläche von 151,32 Quadratzentimetern unter kontinuierlicher weißer LED-Beleuchtung über 5000 Stunden; die Ausgangsleistung sank von 1028,5 Milliwatt auf 1024,1 Milliwatt und blieb damit bei 99,6 % des Anfangswerts. Die Ergebnisse wurden unter dem Titel „Steric-gated dual-site chelation enables 27.3% efficient perovskite solar cells and ultra-stable 22% bifacial modules" in der Zeitschrift Joule veröffentlicht.