Dotierstofffreies HTL ermöglicht 25,9 % Wirkungsgrad in 2D/3D-Perowskit-Solarzellen

Ein internationales Team unter der Leitung des Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat einen bahnbrechenden Durchbruch bei der Entwicklung von 2D/3D-Perowskit-Solarzellen erzielt und dabei sowohl Rekordeffizienz als auch Langzeitstabilität erreicht. Veröffentlicht in Wissenschaft, die Studie mit dem Titel „Spontane Bildung robuster zweidimensionaler Perowskitphasen“ führt eine neue dotierstofffreie Lochtransportschicht (HTL) ein, die die Zuverlässigkeit der n-i-p-Gerätestruktur verbessert.

Eine langlebige 2D-Zwischenschicht für Perowskit-Stabilität

Traditionell dienen 2D-Perowskite als Barriereschichten zum Schutz ihrer 3D-Gegenstücke, doch ihre Zerbrechlichkeit beeinträchtigt oft die Gesamthaltbarkeit der Zelle. Leitautor Shaun Tan erklärt, dass das Team ein Mischlösungsmittelverfahren zur Entwicklung einer strukturell robusten 2D-Zwischenschicht verwendete. Diese Lösungsverarbeitungstechnik ermöglichte die Bildung hochkristalliner und reiner 2D-Perowskite, die für die Langzeitleistung hybrider Perowskitstrukturen entscheidend sind.

Beseitigung von Degradationsauslösern

Die Forscher beseitigten häufige Degradationsprobleme, indem sie instabile Dotierstoffe in der HTL vermieden. Anstelle herkömmlicher Additive wie tBP und LiTFSI verwendeten sie undotiertes Spiro-OMeTAD. Diese dotierstofffreie HTL verbessert die thermische Stabilität und erhält gleichzeitig die Effizienz des Bauelements. Der Bauelementstapel umfasst:

• Fluordotiertes Zinnoxid (FTO)

• Chemisch badabgeschiedenes SnO₂ (CBD-SnO₂)

• 3D FAPbI₃-Perowskit, angereichert mit MACl, MAPbBr₃ und überschüssigem PbI₂

• Eine reine 2D-Perowskit-Zwischenschicht

• Spiro-MeOTAD

• Obere Elektrode aus Gold (Au)

Diese Solarzelle der nächsten Generation wies einen Wirkungsgrad von 25,9 % auf und konnte damit mit den leistungsstärksten invertierten Pin-I-N-Designs mithalten.

Langzeittests bestätigen Stabilität

Über die reine Leistung hinaus hielten die Bauelemente 1.074 Stunden Dauerlicht unter 1-Sun AM 1,5G-Bedingungen mit UV-Bestrahlung in einer Stickstoffumgebung stand und behielten dabei 91 % ihrer ursprünglichen Effizienz. Dies ist ein entscheidender Meilenstein für stabile Perowskit-Photovoltaik, insbesondere für kommerzielle Anwendungen, die Langlebigkeit erfordern.

Reale Anwendungen am Horizont

Tan betonte die weitreichenden Auswirkungen der Studie: „Die kombinatorischen Möglichkeiten für 2D-Zusammensetzungen und Lösungsmittelmischungen sind nahezu unbegrenzt. Diese Methode könnte neue Maßstäbe für die Effizienz und Stabilität von Perowskit-Solarzellen setzen.“

Eine globale Gemeinschaftsanstrengung

Diese Forschung spiegelt die globale Zusammenarbeit zwischen dem MIT, der Sungkyunkwan-Universität (Südkorea), der Marmara-Universität (Türkei), dem Lawrence Berkeley National Laboratory und dem National Renewable Energy Laboratory (NREL) des US-Energieministeriums wider.