Chinesische Universität Nanjing: Wirkungsgrad von Perowskit-organischen Tandem-Solarzellen erreicht 27,35 %

de.wedoany.com-Bericht: Forscher der Universität Nanjing (Nanjing University) haben eine Perowskit-organische Tandem-Solarzelle hergestellt, deren untere organische Teilzelle einen Akzeptor mit niedriger Bandlücke (LBG) verwendet, wodurch die Nahinfrarot-(NIR-)Absorption verstärkt und gleichzeitig der Spannungsverlust reduziert wird.

Der korrespondierende Autor der Arbeit, Zheng Qingdong (Qingdong Zheng), erklärte, einer der Schlüsselfaktoren, die den Wirkungsgrad von Perowskit-organischen Tandem-Solarzellen begrenzen, sei die im Vergleich zu Breitbandlücken-(WBG-)Perowskit-Teilzellen geringere Photostromdichte der organischen Teilzelle mit niedriger Bandlücke. Dieses Photostrom-Ungleichgewicht entstehe hauptsächlich durch die starke Überlappung der externen Quanteneffizienz-(EQE-)Spektren der beiden Teilzellen im Bereich der Absorptionskante der Perowskitschicht. Daher sei die Entwicklung hocheffizienter Nahinfrarot-Akzeptoren entscheidend, um die spektrale Überlappung zu verringern, die Photostromanpassung zu verbessern und letztlich die Leistung der Tandemvorrichtung zu steigern.

Die Forscher gaben an, dass frühere Arbeiten durch molekulare Konstruktionsstrategien verschiedene Nicht-Fulleren-Akzeptoren (NFA) entwickelt hätten, um die Nahinfrarot-Absorption von organischen Solarzellen mit niedriger Bandlücke zu verstärken, und dass Perowskit-organische Tandemvorrichtungen damit bereits zertifizierte Leistungsumwandlungswirkungsgrade von 22,0 % bis 26,4 % erreicht hätten.

Um den Wirkungsgrad weiter zu erhöhen, entwarf und synthetisierte das Team einen neuartigen Nicht-Fulleren-Akzeptor Zh-F mit einer optischen Bandlücke von 1,23 eV. Dieses Material basiert auf einem stark elektronenspendenden Heteroheptacen-Kern, mit dem Ziel, die optische Bandlücke zu verengen und die Lichtabsorption weiter in den Nahinfrarotbereich auszudehnen.

Um den Spannungsverlust zu verringern und die langwellige Lichtantwort zu verbessern, kombinierten die Forscher Zh-F mit BTP-eC9, einem hochleistungsfähigen Nicht-Fulleren-Akzeptor aus der Familie der Y-Serie organischer Halbleiter. Beide Akzeptoren wurden mit dem Polymerdonor PM6 kombiniert, um einen ternären Heteroübergang zu bilden, der komplementäre Lichtabsorption und eine verbesserte spektrale Nutzung ermöglicht.

Die so hergestellte ternäre organische Solarzelle PM6:BTP-eC9:Zh-F erreichte einen Leistungsumwandlungswirkungsgrad von 19,84 %, eine Leerlaufspannung von 0,853 V, eine Kurzschlussstromdichte von 29,00 mA cm⁻² und einen Spannungsverlust von nur 0,510 V.

Zheng Qingdong erklärte, die Einführung von Zh-F in das PM6-System könne gleichzeitig die Nahinfrarot-Photonensammlung, den Ladungstransport, die Exzitonendissoziation und die Rekombinationskinetik verbessern sowie den Spannungsverlust unterdrücken, wodurch es sich hervorragend für Perowskit-organische Tandem-Solarzellen eigne.

Diese organische Zelle bildet mit einer Perowskit-Topzelle eine Tandemstruktur. Die Perowskit-Topzelle erreichte einen Leistungsumwandlungswirkungsgrad von 19,45 %, eine Leerlaufspannung von 1,32 V, eine Kurzschlussstromdichte von 17,63 mA cm⁻² und einen Füllfaktor von 83,65 %.

Die Forscher konstruierten eine monolithische Perowskit-organische Tandemzelle auf einem Glas- und Indiumzinnoxid-(ITO-)Substrat. Die Perowskit-Topzelle besteht aus einer Nickeloxid-(NiOₓ-)Lochtransportschicht (HTL), einer selbstorganisierten Monoschicht (SAM) aus Ph-4PACz, einer Breitbandlücken-Perowskit-Absorptionsschicht und einer Elektronentransportschicht (ETL) aus Buckminsterfulleren (C₆₀).

Eine Zwischenverbindungs-Rekombinationsschicht verbindet die vordere Perowskit-Teilzelle elektrisch mit der hinteren organischen Teilzelle mit niedriger Bandlücke. Die organische Zelle umfasst eine Lochselektionsschicht aus Ph-2PACz, eine organische photoaktive Absorptionsschicht, eine Elektronentransportschicht auf Basis des Perylendiimid-Grenzflächenmaterials PDIP sowie eine metallische Kontaktelektrode aus Silber (Ag).

Die oben genannte Struktur bildet eine monolithische doppelseitige Perowskit-organische Tandemvorrichtung: Die vordere Perowskit-Teilzelle erntet Photonen höherer Energie, während die hintere organische Teilzelle die Lichternte bis in den Nahinfrarotbereich ausdehnt.

Unter Standardbeleuchtungsbedingungen erreichte diese Tandemzelle einen Leistungsumwandlungswirkungsgrad von 27,35 %, eine Leerlaufspannung von 2,16 V, eine Kurzschlussstromdichte von 15,35 mA cm⁻² und einen Füllfaktor von 82,39 %. Im Vergleich dazu erreichte eine Kontroll-Tandemvorrichtung mit herkömmlichen Akzeptoren einen Wirkungsgrad von 25,69 %.

Zheng Qingdong erklärte, die Tandemvorrichtung habe einen zertifizierten Wirkungsgrad von 26,88 % erzielt, was der höchste verifizierte Wirkungsgrad unter den bisher berichteten Perowskit-organischen Tandem-Solarzellen sei. Neben dem Wirkungsgrad zeigten die nicht verkapselten Vorrichtungen auch eine gute Stabilität und behielten nach etwa 744 Stunden kontinuierlicher 1-Sonne-Beleuchtung noch 80 % ihrer Ausgangsleistung.

Die entsprechenden Ergebnisse wurden unter dem Titel „Verbesserte Nahinfrarot-Absorption durch Akzeptoren mit niedriger Bandlücke ermöglicht 27,35 % Wirkungsgrad in Perowskit-organischen Tandem-Solarzellen" in der Fachzeitschrift „Joule" veröffentlicht.

Im Juni 2025 hatten Forscher des Solar Energy Research Institute of Singapore (SERIS) erklärt, mit derselben Struktur einen Leistungsumwandlungswirkungsgrad von 26,4 % erreicht zu haben.