Indsigt i tabsprocesser i perovskit-solceller muliggør effektivitetsforbedringer

I perovskit-solceller, ladningsbærere går hovedsageligt tabt gennem rekombination, der forekommer på grænsefladedefekte steder. I modsætning, rekombination på defekte steder i perovskitlaget begrænser ikke solcellernes ydeevne på nuværende tidspunkt. Hold fra University of Potsdam og Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) var i stand til at nå denne interessante konklusion gennem ekstremt nøjagtige kvantitative målinger på 1 cm ² perovskitceller ved hjælp af fotoluminescens. Deres resultater bidrager til at forbedre perovskit-solceller og er nu blevet offentliggjort i Naturenergi .

Selv solceller lavet af et perfekt mirakelmateriale ville aldrig være i stand til at omdanne 100 procent af sollys til elektrisk energi. Dette skyldes, at den teoretisk maksimale opnåelige effekt er begrænset af placeringen af ​​elektronernes energibånd, og ved uundgåelig stråling af fotoner (den termodynamiske eller Shockley-Queisser-grænse). Maksimal effektkonverteringseffektivitet for silicium er omkring 33 procent, for eksempel. Men selv denne værdi vil aldrig blive nået. Dette skyldes defekter af forskellig art, der forårsager tab af nogle af de ladningsbærere, der frigives af sollys. For at nærme sig den maksimale værdi, det er derfor nødvendigt at undersøge de forskellige defekter i solceller og fastslå, hvilke der fører til tab og hvordan.

Organometalliske perovskit-absorberende lag betragtes som en særlig spændende ny materialeklasse til solceller - på kun 10 år, deres effektivitet er steget fra tre procent til over tyve procent, en fantastisk succeshistorie. Nu er det lykkedes et team ledet af prof. Dr. Dieter Neher ved University of Potsdam og Dr. Thomas Unold ved HZB at identificere de afgørende tabsprocesser i perovskit-solceller, der begrænser effektiviteten.

Ved visse defekter i perovskitlagets krystalgitter, ladningsbærere (dvs. elektroner og "huller"), der netop er blevet frigivet af sollys, kan rekombinere igen og dermed gå tabt. Men om disse defekter fortrinsvis var placeret i perovskitlaget, eller i stedet for var grænsefladen mellem perovskitlaget og transportlaget uklart indtil nu.

For at bestemme dette, forskerne brugte fotoluminescensteknikker med høj præcision, rumlig og tidsmæssig opløsning. Ved hjælp af laserlys, de exciterede det kvadratcentimeter store perovskitlag og detekterede hvor og hvornår materialet udsendte lys som reaktion på excitationen. "Denne målemetode i vores laboratorium er så præcis, vi kan bestemme det nøjagtige antal fotoner, der er blevet udsendt, " forklarer Unold. Og ikke kun det, energien af ​​de udsendte fotoner blev præcist optaget og analyseret ved hjælp af et hyperspektralt CCD-kamera.

"På denne måde vi var i stand til at beregne tabene ved hvert punkt i cellen og derved bestemme, at de mest skadelige defekter er placeret ved grænsefladerne mellem perovskit-absorberlaget og ladningstransportlagene, " rapporterer Unold. Dette er vigtig information til yderligere forbedring af perovskit-solceller, for eksempel ved hjælp af mellemlag, der har en positiv effekt eller gennem modificerede fremstillingsmetoder.

Ved hjælp af disse fund, gruppen ledet af prof. dr. Dieter Neher og dr. Martin Stolterfoht ved universitetet i Potsdam er lykkedes med at reducere grænsefladerekombination og dermed øge effektiviteten på 1 cm ² perovskit-solceller til langt over 20 pct.