27 december 2023 (Nanowerk-schijnwerper) Onderzoekers hebben lang geprobeerd de efficiëntie van te maximaliseren perovskiet zonnecellen terwijl de productiekosten worden geminimaliseerd. Dunnere zonnecelfilms maken een goedkope productie mogelijk, maar beperken de efficiëntie. Dikkere films verhogen de efficiëntie, maar zijn gevoelig voor defecten die de prestaties ondermijnen. Eerdere pogingen om perovskietfilms op micronschaal te maken, hadden echter te kampen met opmerkelijke dalingen in vulfactor en spanning. Daardoor wordt hun efficiëntiepotentieel beperkt. Het vinden van een optimaal evenwicht tussen dikte en efficiëntie is een blijvende uitdaging gebleken.
Recente innovaties op het gebied van materialen en productie hebben perovskiet-zonnecellen op de rand van commerciële levensvatbaarheid gebracht. De efficiëntie is nu vergelijkbaar met die van traditionele siliciumcellen, terwijl de productie ervan veel minder energie en kosten vergt. Een bredere acceptatie hangt echter af van het verbeteren van de prestaties en stabiliteit met behoud van economische fabricagetechnieken.
Nieuw werk van een team van Forschungszentrum Jülich in Duitsland, gerapporteerd in Geavanceerde energiematerialen ("Gattransporterende dubbellagen voor efficiënte micrometerdikke perovskietzonnecellen"), erkent fundamenteel de cruciale rol die transportlagen spelen bij het verergeren van dikte-afhankelijke verliezen. Zelfs met perfecte absorbermobiliteit/levensduur. Door een tweelaagse gatentransportarchitectuur te optimaliseren om weerstandsverliezen en recombinatie te verminderen, bereiken de auteurs een opmerkelijk efficiëntiebehoud bij een dikte van meer dan 1 micron.
a) Vergelijking van de FF en de overeenkomstige perovskietfilmdikte en bandafstand in de representatieve rapporten en dit werk. b) Verlichte J-V-curven van perovskietzonnecellen met verschillende diktes op basis van Me-4PACz, de celprestatieparameters worden vermeld in Tabel S1, Ondersteunende informatie. c) Vulfactor als functie van de bandafstand volgens vergelijking (1), rekening houdend met verschillende weerstanden. (© Wiley-VCH Verlag)
Dit onderzoek concentreert zich op een ingenieuze zonnecelarchitectuur die dikte loskoppelt van efficiëntiebeperkingen. Door speciale organische films rond de perovskietlaag te plaatsen, maken de auteurs diktes op micronschaal mogelijk zonder dat dit ten koste gaat van de topprestaties. Hun ontwerp bereikt met name een opmerkelijke efficiëntie van 20.2% bij een dikte van meer dan 1 micron met minimale verliezen vergeleken met dunnere versies.
Zoals hoofdauteur Thomas Kirchartz uitlegt: “Het realiseren van zeer efficiënte, dikkere zonnecelfilms maakt het mogelijk om de kleine piramides van getextureerde siliciumwafels te bedekken die nodig zijn voor hoogwaardige tandemcellen.” Eerdere pogingen om dikkere perovskietfilms te maken hadden de neiging te lijden onder verslechterde vulfactoren en spanningen op micronschaal. Maar de unieke ladingstransportdubbellagen van de onderzoekers beteugelen deze dalingen. Daarmee wordt een pad gedemonstreerd voor de integratie van perovskieten in hoogefficiënte, op silicium gebaseerde tandems.
Dus waarom heeft de dikte de efficiëntie belemmerd? Kortom, dikkere films verergeren kleine productieonvolkomenheden die de prestaties cumulatief ondermijnen. Defectdichtheid neemt toe, interfaces worden ruwer, spanningen zakken. Het is enorm moeilijk gebleken om deze met elkaar verweven mechanismen uit elkaar te halen.
Het belangrijkste inzicht van het team van Kirchartz was het onderkennen dat transportlagen zelf intrinsieke grenzen oplegden. De traditionele, door logica vastgehouden ladingsverzameling was voornamelijk afhankelijk van de eigenschappen van de absorber. Door transportlagen te voorzien van voldoende geleidbaarheid en optimale banduitlijning worden de diktebeperkingen echter helemaal versoepeld. Daarmee worden in één klap talloze verliestrajecten overwonnen.
Deze onthulling bracht de onderzoekers ertoe twee speciale organische films met complementaire voordelen rond de perovskietkern te sandwichen. De onderste zelf-geassembleerde monolaagfilm (SAM) beschikt over uitstekende geleidbaarheid en gatentransportcapaciteiten. Ondertussen biedt de bovenste poly[bis(4-fenyl)]amine (PTAA) film nauwe roosteraanpassing en banduitlijning met de perovskiet. Door compatibele SAM-varianten te combineren, worden de interface-eigenschappen nog verder verfijnd.
Nauwkeurige karakteriseringen onthulden dat de transportdubbellagen weerstandsverliezen verminderen, ladingsextractie vergemakkelijken en recombinatie belemmeren in vergelijking met enkele SAM- of PTAA-films. Hierdoor zijn uitzonderlijke vulfactoren en spanningen mogelijk die respectievelijk 80% en 1.2 V benaderen bij een dikte van meer dan 1 micron. Een dergelijk opmerkelijk behoud van piekefficiëntie zou perovskieten kunnen helpen hun volledige commerciële potentieel te ontsluiten.
De bredere impact van hoogwaardige perovskietzonnecellen met dikke film verdient nadruk. Micronschalen sluiten goed aan bij bestaande productietools die zijn geoptimaliseerd voor silicium. Daardoor wordt de integratie met bestaande infrastructuren vergemakkelijkt. Het verbeteren van de compatibiliteit tussen geavanceerde perovskieten en gevestigde technologieën zou de wijdverbreide acceptatie ervan kunnen katalyseren.
Bovendien passen dikke perovskietfilms zich beter aan de texturen van siliciumcelpiramides aan. Daardoor worden de tandemcelgeometrieën verbeterd, gericht op een gecombineerde efficiëntie van 45%. Kirchartz is daarom van mening dat “een tussenstap om efficiënte, in oplossing verwerkte perovskiet-topcellen op getextureerde Si-bodemcellen voor tandemtoepassingen mogelijk te maken, het vermogen is om celstructuren te ontwerpen met voldoende hoge bandafstanden gecombineerd met hoge efficiëntie bij een dikte van meer dan 1 µm.”
Er moet echter nog werk worden verricht voordat perovskieten met dikke film commerciële gereedheid bereiken. Stabiliteit op de lange termijn ontbreekt nog steeds, terwijl de efficiëntie en prestatieconsistentie moeten worden verbeterd. Niettemin vertegenwoordigt de uitzonderlijke mijlpaal van 20% efficiëntie op micronschaal een keerpunt. Het bewijzen van de commerciële levensvatbaarheid van deze opkomende fotovoltaïsche technologie.
Deze doorbraak produceert op efficiënte wijze de dikke perovskietfilms die nodig zijn om siliciumpiramides voor hoogefficiënte tandemcellen te bedekken. Daarmee helpen we de al lang bestaande belofte van economische, schaalbare hybride tandem-architecturen waar te maken. Bovendien neemt het betrouwbaar bereiken van een efficiëntie van meer dan 20% op micronschaal de zorgen over ondermaatse spanningen en vulfactoren grotendeels weg naarmate de filmdikte toeneemt. Daarmee wordt een van de meest hardnekkige compromissen op het gebied van efficiëntie en prestatie overwonnen die de commercialiseringsinspanningen beperken.
Voortbouwend op deze vooruitgang heeft verdere optimalisatie het potentieel om de efficiëntielimieten te verhogen, zelfs boven de aanvankelijke verwachtingen. De levensvatbaarheid van goedkope, productievriendelijke perovskietzonnecellen lijkt nu steeds haalbaarder. Brede acceptatie vlak voor de horizon, in afwachting van stapsgewijze opschaling en stabiliteitsverbeteringen. Hoewel er nog werk aan de winkel is, vormt het bewijzen van een uitzonderlijk efficiëntiebehoud van meer dan 20% voor microndikke perovskieten een historisch keerpunt.
a) Vergelijking van de FF en de overeenkomstige perovskietfilmdikte en bandafstand in de representatieve rapporten en dit werk. b) Verlichte J-V-curven van perovskietzonnecellen met verschillende diktes op basis van Me-4PACz, de celprestatieparameters worden vermeld in Tabel S1, Ondersteunende informatie. c) Vulfactor als functie van de bandafstand volgens vergelijking (1), rekening houdend met verschillende weerstanden. (© Wiley-VCH Verlag)
Dit onderzoek concentreert zich op een ingenieuze zonnecelarchitectuur die dikte loskoppelt van efficiëntiebeperkingen. Door speciale organische films rond de perovskietlaag te plaatsen, maken de auteurs diktes op micronschaal mogelijk zonder dat dit ten koste gaat van de topprestaties. Hun ontwerp bereikt met name een opmerkelijke efficiëntie van 20.2% bij een dikte van meer dan 1 micron met minimale verliezen vergeleken met dunnere versies.
Zoals hoofdauteur Thomas Kirchartz uitlegt: “Het realiseren van zeer efficiënte, dikkere zonnecelfilms maakt het mogelijk om de kleine piramides van getextureerde siliciumwafels te bedekken die nodig zijn voor hoogwaardige tandemcellen.” Eerdere pogingen om dikkere perovskietfilms te maken hadden de neiging te lijden onder verslechterde vulfactoren en spanningen op micronschaal. Maar de unieke ladingstransportdubbellagen van de onderzoekers beteugelen deze dalingen. Daarmee wordt een pad gedemonstreerd voor de integratie van perovskieten in hoogefficiënte, op silicium gebaseerde tandems.
Dus waarom heeft de dikte de efficiëntie belemmerd? Kortom, dikkere films verergeren kleine productieonvolkomenheden die de prestaties cumulatief ondermijnen. Defectdichtheid neemt toe, interfaces worden ruwer, spanningen zakken. Het is enorm moeilijk gebleken om deze met elkaar verweven mechanismen uit elkaar te halen.
Het belangrijkste inzicht van het team van Kirchartz was het onderkennen dat transportlagen zelf intrinsieke grenzen oplegden. De traditionele, door logica vastgehouden ladingsverzameling was voornamelijk afhankelijk van de eigenschappen van de absorber. Door transportlagen te voorzien van voldoende geleidbaarheid en optimale banduitlijning worden de diktebeperkingen echter helemaal versoepeld. Daarmee worden in één klap talloze verliestrajecten overwonnen.
Deze onthulling bracht de onderzoekers ertoe twee speciale organische films met complementaire voordelen rond de perovskietkern te sandwichen. De onderste zelf-geassembleerde monolaagfilm (SAM) beschikt over uitstekende geleidbaarheid en gatentransportcapaciteiten. Ondertussen biedt de bovenste poly[bis(4-fenyl)]amine (PTAA) film nauwe roosteraanpassing en banduitlijning met de perovskiet. Door compatibele SAM-varianten te combineren, worden de interface-eigenschappen nog verder verfijnd.
Nauwkeurige karakteriseringen onthulden dat de transportdubbellagen weerstandsverliezen verminderen, ladingsextractie vergemakkelijken en recombinatie belemmeren in vergelijking met enkele SAM- of PTAA-films. Hierdoor zijn uitzonderlijke vulfactoren en spanningen mogelijk die respectievelijk 80% en 1.2 V benaderen bij een dikte van meer dan 1 micron. Een dergelijk opmerkelijk behoud van piekefficiëntie zou perovskieten kunnen helpen hun volledige commerciële potentieel te ontsluiten.
De bredere impact van hoogwaardige perovskietzonnecellen met dikke film verdient nadruk. Micronschalen sluiten goed aan bij bestaande productietools die zijn geoptimaliseerd voor silicium. Daardoor wordt de integratie met bestaande infrastructuren vergemakkelijkt. Het verbeteren van de compatibiliteit tussen geavanceerde perovskieten en gevestigde technologieën zou de wijdverbreide acceptatie ervan kunnen katalyseren.
Bovendien passen dikke perovskietfilms zich beter aan de texturen van siliciumcelpiramides aan. Daardoor worden de tandemcelgeometrieën verbeterd, gericht op een gecombineerde efficiëntie van 45%. Kirchartz is daarom van mening dat “een tussenstap om efficiënte, in oplossing verwerkte perovskiet-topcellen op getextureerde Si-bodemcellen voor tandemtoepassingen mogelijk te maken, het vermogen is om celstructuren te ontwerpen met voldoende hoge bandafstanden gecombineerd met hoge efficiëntie bij een dikte van meer dan 1 µm.”
Er moet echter nog werk worden verricht voordat perovskieten met dikke film commerciële gereedheid bereiken. Stabiliteit op de lange termijn ontbreekt nog steeds, terwijl de efficiëntie en prestatieconsistentie moeten worden verbeterd. Niettemin vertegenwoordigt de uitzonderlijke mijlpaal van 20% efficiëntie op micronschaal een keerpunt. Het bewijzen van de commerciële levensvatbaarheid van deze opkomende fotovoltaïsche technologie.
Deze doorbraak produceert op efficiënte wijze de dikke perovskietfilms die nodig zijn om siliciumpiramides voor hoogefficiënte tandemcellen te bedekken. Daarmee helpen we de al lang bestaande belofte van economische, schaalbare hybride tandem-architecturen waar te maken. Bovendien neemt het betrouwbaar bereiken van een efficiëntie van meer dan 20% op micronschaal de zorgen over ondermaatse spanningen en vulfactoren grotendeels weg naarmate de filmdikte toeneemt. Daarmee wordt een van de meest hardnekkige compromissen op het gebied van efficiëntie en prestatie overwonnen die de commercialiseringsinspanningen beperken.
Voortbouwend op deze vooruitgang heeft verdere optimalisatie het potentieel om de efficiëntielimieten te verhogen, zelfs boven de aanvankelijke verwachtingen. De levensvatbaarheid van goedkope, productievriendelijke perovskietzonnecellen lijkt nu steeds haalbaarder. Brede acceptatie vlak voor de horizon, in afwachting van stapsgewijze opschaling en stabiliteitsverbeteringen. Hoewel er nog werk aan de winkel is, vormt het bewijzen van een uitzonderlijk efficiëntiebehoud van meer dan 20% voor microndikke perovskieten een historisch keerpunt.
– Michael is auteur van drie boeken van de Royal Society of Chemistry:
Nano-Society: de grenzen van technologie verleggen,
Nanotechnologie: de toekomst is klein en
Nanoengineering: de vaardigheden en tools die technologie onzichtbaar maken
Copyright ©
Nanowerk LLC
Word een Spotlight-gastauteur! Sluit je aan bij onze grote en groeiende groep gastbijdragers. Heb je net een wetenschappelijk artikel gepubliceerd of heb je andere opwindende ontwikkelingen om te delen met de nanotechnologie-gemeenschap? Hier leest u hoe u op nanowerk.com publiceert.
- Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
- PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
- PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
- PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
- Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
- Bron: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64319.php
