Chinesische Akademie der Wissenschaften: Preußischblau bringt Perowskit-Solarzellen auf einen Wirkungsgrad von 26,9 %

de.wedoany.com-Bericht: Ein Forschungsteam der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) hat Preußischblau-Nanopartikel (Prussian Blue, PB) zur Stabilisierung von Formamidinium-Bleijodid-Dünnschichten (FAPbI3) eingesetzt und damit sowohl bei konventionellen (n-i-p) als auch bei invertierten (p-i-n) Perowskit-Solarzellen eine Wirkungsgradsteigerung bei gleichzeitig verbesserter Bauteilstabilität erzielt. Die zugehörige Arbeit „Prussian blue regulates ion dynamics in perovskite solar cells" wurde in Science veröffentlicht.

Preußischblau ist eine eisenbasierte Verbindung, die für ihre starke Absorption im sichtbaren Spektralbereich und ihre elektrochemischen Eigenschaften bekannt ist. Bereits früher hatten Forschende es als Photosensibilisator in farbstoffsensibilisierten Solarzellen eingesetzt und nachgewiesen, dass es Sonnenlicht absorbieren und einen Photostrom erzeugen kann, wobei die photovoltaische Leistung jedoch begrenzt blieb. Nun untersuchte das Team stattdessen das Anwendungspotenzial in Perowskit-Solarzellen.

In der Studie dienten die PB-Nanopartikel als Strukturtemplate, um den Kristallisationsprozess von FAPbI3 zu steuern, ein gleichmäßigeres Kristallwachstum zu fördern und unerwünschte Zwischenphasen zu unterdrücken, was die Bildung der photoaktiven α-Phase begünstigt – jener Kristallstruktur, die für eine effiziente Lichtabsorption und Stromerzeugung erforderlich ist. Laut den Forschenden verbesserte dieses Verfahren die Kristallorientierung, verringerte die Gitterverspannung und begrenzte nichtstrahlende Rekombinationsverluste.

Der Korrespondenzautor Yu Chen erklärte, der wesentliche Fortschritt dieser Arbeit liege in der Verwendung eines strukturell kompatiblen Preußischblau-Gerüsts, das sowohl während der Dünnschichtbildung als auch im Betrieb des Bauteils funktionsfähig bleibe: Es lenke die Perowskit-Kristallisation, reguliere die Umwandlung anormaler Blei- und Iodspezies und begrenze zudem die Umverteilung der A-Position-Kationen, wodurch die Elektronengleichmäßigkeit unter Vorspannung erhalten und hocheffiziente, stabile großflächige Module ermöglicht würden.

Hinsichtlich der Kontrolle von Defekten und Ionenmigration begrenzten die PB-Nanopartikel die Bildung innerer Defekte und die Ionenmigration, indem sie halfen, metallisches Blei und neutrale Ioddefekte in ihren ursprünglichen ionischen Zustand zurückzuführen; ihre starre Kristallstruktur fange bewegliche Ionen, insbesondere Cäsium, ein und schränke deren Bewegung im elektrischen Feld ein. Dadurch sinke die Defektdichte, der Ladungstransport verbessere sich und die durch nichtstrahlende Rekombination verursachten Energieverluste würden unterdrückt.

Die Nanopartikel erhöhten zudem die Aktivierungsenergie der Ionenmigration von 0,89 eV auf 1,25 eV, wodurch Ionenbewegungen erschwert werden. Nach Einschätzung der Forschenden tragen diese Effekte dazu bei, dass die Perowskit-Dünnschicht gegenüber elektrisch, thermisch und durch Lichteinstrahlung verursachter Degradation widerstandsfähiger ist.

In den Bauteiltests stieg der Leistungsumwandlungswirkungsgrad konventioneller Zellen von 24,2 % auf 26,1 %; bei invertierten Zellen erhöhte er sich von 26,0 % bei unbehandelten Bauteilen auf 26,9 %, wobei dieses Ergebnis unabhängig mit 26,2 % zertifiziert wurde. Das Forschungsteam führt die Verbesserung auf eine effizientere Ladungstrennung und -extraktion, eine Verringerung der nichtstrahlenden Rekombination sowie die Unterdrückung der Ionenmigration zurück.

Nach der Skalierung auf größere Bauteile erreichte ein konventionelles Mini-Modul mit 6 cm × 6 cm einen Wirkungsgrad von 23,4 %, verglichen mit 20,1 % bei einem Referenzbauteil; ein invertiertes Submodul mit 30 cm × 30 cm und einer Aperturfläche von 756 cm² erzielte einen zertifizierten Wirkungsgrad von 22,9 % und einen stabilen Wirkungsgrad von 22,8 %.

Auch die Stabilitätstests lieferten positive Ergebnisse. Konventionelle Mini-Module behielten nach 2.500 Stunden bei 85 °C und 85 % relativer Luftfeuchtigkeit mehr als 90 % ihres Ausgangswirkungsgrads; nach 2.200 Stunden Dauerbetrieb bei 65 °C und 50 % relativer Luftfeuchtigkeit blieben mehr als 80 % erhalten.

Beschleunigte Alterungstests an größeren invertierten Submodulen zeigten, dass unter kontinuierlicher Beleuchtung bei 35 °C eine T80-Lebensdauer von etwa sieben Jahren prognostiziert wird. T80 bezeichnet die Zeit, die eine Solarzelle oder ein Modul unter bestimmten Betriebsbedingungen benötigt, um 20 % ihres Ausgangswirkungsgrads zu verlieren. Die Forschenden weisen darauf hin, dass diese prognostizierte Lebensdauer aus beschleunigten Alterungstests extrapoliert wurde und nicht durch tatsächlichen Langzeitbetrieb validiert ist.

In einem fünfmonatigen Freilandtest in Zhuhai, China, zeigten die PB-behandelten Submodule im Vergleich zu kommerziellen Silizium-Referenzbauteilen keine „wahrnehmbare" Leistungsdegradation.

Yu Chen erklärte, die genannten Befunde unterstrichen das Potenzial offener Gerüstmaterialien zur Steigerung des Wirkungsgrads von Solarzellen, zur Ermöglichung der skalierbaren Produktion sowie zur Verbesserung der langfristigen Zuverlässigkeit der Perowskit-Photovoltaik.