Hochentropische Hybrid-Perowskit-Solarzellen erreichen 25,7 % Wirkungsgrad

Forscher der Zhejiang-Universität in China haben einen invertierten Perowskit entwickelt Solarzelle basiert auf einem hochentropischen Hybrid-Perowskit-Material (HEHP). Dieser neuartige Ansatz verbessert angeblich die Stabilität des Geräts und weist eine außergewöhnliche Effizienz auf.

„Unsere Arbeit unterstreicht das Potenzial einer hochentropischen Hybridperowskit-Struktur (HEHP), die Effizienz und Stabilität von Perowskit-Solarzellen zu verbessern“, sagte Jingjing Xue, der korrespondierende Autor der Studie. „Diese Struktur zeichnet sich durch stark ungeordnete organische Komponenten aus, die einen Entropiegewinn ermöglichen und im Vergleich zu ihren geordneten Einzelkomponenten-Gegenstücken eine bessere thermische Stabilität und strukturelle Robustheit aufweisen. Der chemische Reichtum der organischen Komponenten bietet weitere Möglichkeiten zur Feinabstimmung der Eigenschaften von Perowskiten und verwandten Materialien.“

Verbesserte Stabilität und Effizienz

Das Forschungsteam wies nach, dass das neue Material eine einphasige Mehrkomponenten-Perowskitstruktur besitzt, die bei hohen Temperaturen eine höhere Phasenstabilität bietet als herkömmliche Perowskite. Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) bestätigte die Koexistenz verschiedener organischer Kationen im vorgeschlagenen Material.

„Der HEHP-Einkristall zeigte charakteristische Spitzen aller organischen Kationen, die gut mit denen einer äquimolaren Mischung aller fünf organischen Kationen übereinstimmten“, erklärten die Wissenschaftler. „Dieser Einkristall lässt sich am besten als Hybridstruktur beschreiben, die aus geordneten anorganischen Strukturen und ungeordneten organischen Zwischenschichten besteht.“

Verbesserte Gerätekonstruktion

Mithilfe von HEHP erzeugten die Forscher einen Perowskitfilm mit hervorragender Beständigkeit gegen Wasser und Feuchtigkeit. Dieser Film wurde dann verwendet, um eine Perowskit-Solarzelle mit einer konventionellen Architektur zu bauen, die ein Indiumzinnoxid-Substrat (ITO), eine Elektronentransportschicht (ETL) aus Zinnoxid (SnO2), den Perowskit-Absorber, eine Spiro-OMeTAD-basierte Lochtransportschicht und einen metallischen Silberkontakt (Ag) umfasste. Die Leistung dieses Geräts wurde mit einem Referenzgerät mit einer ähnlichen Perowskitschicht, aber ohne HEHP, verglichen.

Überlegene Leistungsmetriken

Bei Tests unter standardmäßigen Lichtbedingungen erreichte das HEHP-basierte Gerät:

• Effizienz: 25,7 %
• Leerlaufspannung: 1,17 V
• Kurzschlussstromdichte: 25,8 mA/cm²
• Füllfaktor: 85,2 %

Im Vergleich erreichte das Referenzgerät:

• Effizienz: 23,2 %
• Leerlaufspannung: 1,13 V
• Kurzschlussstromdichte: 25,1 mA/cm²
• Füllfaktor: 81,7 %

Die HEHP-basierte Zelle behielt über 98 % ihrer ursprünglichen  Effizienz auch nach 1.000 Stunden.

„Wir führen die Verbesserung der Leerlaufspannung und des Füllfaktors auf die Verringerung der nichtstrahlenden Rekombination und die Verbesserung der Schnittstelle nach dem Einbau von HEHP zurück“, erklärten die Wissenschaftler. „Die Überlegenheit von HEHP gegenüber einzelnen Komponenten bei der Reduzierung elektronischer Interferenzen könnte auf die Koexistenz mehrerer Arten von A-Stellen-Kationen zurückgeführt werden, die synergetisch mit verschiedenen Defekten interagieren können.“

Breite Anwendbarkeit

Das Team ist zuversichtlich, dass das neue Perowskit-Material in verschiedenen Perowskit-Zusammensetzungen und Zellarchitekturen eingesetzt werden kann. „Es kann als universelle und defekttolerante Strategie dienen, um die Leistung von Perowskit-Solarzellen in verschiedenen Szenarien zu verbessern, was für die Verbesserung der Produktionsausbeute von Perowskit-Geräten in der zukünftigen industriellen Massenproduktion von entscheidender Bedeutung ist“, schloss das Team.

Einzelheiten zu diesem neuen Zellkonzept werden in der Studie „High-entropy hybrid perovskites with disordered organic moieties for perovskite solar cells“ berichtet, die in Nature Photonics erschienen ist.