Chinesische Forscher steigern Wirkungsgrad reinperowskit-Solarzellen auf über 30 Prozent

Sie glauben, dass diese Leistung die Entwicklung, hocheffizienten Solartechnologien beschleunigen kann, die deutlich günstiger und einfacher herzustellen sind als herkömmliche Silizium-basierte Module. „Die Ergebnisse eröffnen einen Weg, um gleichzeitig die Effizienz und Haltbarkeit sowohl bei starren als auch bei flexiblen Bauteilen zu verbessern und so die Entwicklung leichter, skalierbarer Photovoltaik-Technologien voranzutreiben", so die Wissenschaftler.

Bessere Solarzellen All-Perowskit-Tandemsolarzellen gelten als eine der vielversprechendsten PV-Technologien, da sie Sonnenlicht effizienter als konventionelle Einfachschicht-Solarzellen nutzen können. Zudem lassen sie sich mittels Lösungsmittelprozessen bei niedrigen Temperaturen herstellen, was die Produktionskosten möglicherweise senken könnte.

Allerdings bleibt die asynchrone Kristallisation eine der größten Herausforderungen bei mehrkomponentigen Perowskit-Filmen. Während der Herstellung kristallisieren verschiedene Bereiche der Filme oft mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten, was zu strukturellen Defekten und Zusammensetzungsunterschieden führt, die die Effizienz und die Langzeitstabilität verringern.

Eine synchronisierte Kristallisation ermöglicht effiziente starre

Eine synchronisierte Kristallisation ermöglicht effiziente starre und flexible Perowskit-Tandems. Bildnachweis: NIMTE. Um dieses Problem zu lösen, entwickelte das Team eine Additiv-Design-Strategie, die auf der harten-weichen Säure-Base-Theorie (HSAB) basiert und vorhersagt, wie Säuren und Basen interagieren.

Sie fügten sorgfältig ausgewählte Additive sowohl in die Perowskit-Schichten mit breitem als auch mit schmalem Bandlück ein, um die Keimbildung und das Kristallwachstum zu synchronisieren. Dies unterdrückte nicht nur eine ungleichmäßige vertikale Phasenverteilung, sondern verbesserte auch die Filmmäßigkeit über die gesamten Bauelemente hinweg.

Das Team verwendete Difluor(oxalato)borat (DFOB⁻)-Additive für Perowskite mit breitem Bandlück und Tetrafluoroborat (BF4⁻) für Schichten mit schmalem Bandlück. Struktur- und optische Analysen zeigten, dass das Verfahren ein homogenes Kristallwachstum förderte und die Halogenid-Umverteilung verhinderte. Dies führt häufig zu Defekten und Spannungsakkumulation innerhalb der Solarzellen.

Leistung und Energieausbeute

Eine stärkere Leistung: Die Verbesserungen steigerten zudem die Gesamtleistung der Tandembauelemente. Der Wirkungsgrad auf Perowskitbasis stieg von 18,5 auf 20,1 Prozent, während Bauelemente mit schmalem Bandabstand von 21,6 auf 23,3 Prozent verbessert wurden.

Darüber hinaus erreichte das optimierte starre Tandembauelement in monolithischen Zwei-Terminal-Architekturen einen Spitzenwirkungsgrad von 30,3 Prozent, bei einer Leerlaufspannung von 2,16 Volt (V) und einem Füllfaktor von 85,2 Prozent. Zudem lieferten die flexiblen Tandemzellen ebenfalls überzeugende Ergebnisse. Sie erzielten einen Wirkungsgrad von 28,2 Prozent, wobei der zertifizierte Wert bei 28,0 Prozent liegt.

Die Bauelemente zeigten zudem eine hohe betriebliche Stabilität. Dies stellt das bedeutendste und kritischste Hindernis für die kommerzielle Einführung (PSCs) dar. Das optimierte starre Gerät behielt nach 1. Maximum-Power-Point-Tracking 92 Prozent seiner Anfangseffizienz bei. Gleichzeitig behielten die flexiblen Tandems nach 10.000 Biegezyklen 95,2 Prozent ihrer ursprünglichen Effizienz.

Diese Ergebnisse unterstreichen das Potenzial für tragbare Elektronik, leichte Energiesysteme und flexible Solaranwendungen. „Diese Studie etabliert ein allgemeines chemisches Prinzip zur Regulation der Kristallisation in komplex zusammengesetzten Perowskit-Systemen", fasste der Forscher in einer Pressemitteilung zusammen. Die Studie wurde in der Zeitschrift Nature Nanotechnology veröffentlicht.