All-perovskite tandem solceller med 24,8% effektivitet

Et team af forskere ved Nanjing University i Kina og University of Toronto i Canada har for nylig fremstillet tandemsolceller med fuld perovskit (PSC'er), en type solcelle med en vigtig perovskit struktureret komponent. Disse nye solceller, præsenteret i et papir omtalt i Naturenergi , opnåede bemærkelsesværdig effektivitet, udkonkurrere andre eksisterende løsninger.

"Den oprindelige idé til dette forskningsarbejde var at lave tandemsolceller i hel perovskit, som kunne være mere effektive end perovskitsolceller med enkelt kryds, "Hairen Tan, den ledende forsker for undersøgelsen, fortalte TechXplore.

Perovskitter er en gruppe mineraler, der har den samme krystalstruktur som perovskit, en gul, brunt eller sort mineral, der overvejende består af calciumtitanat. I løbet af de sidste par år har flere forskerhold verden over har forsøgt at udvikle solceller ved hjælp af dette materiale, typisk anvender enten bredbåndsgab (~1,8 eV) eller smalbåndsgab (~1,2 eV) perovskiter.

Fremstilling af alle-perovskite tandem solceller, kombinerer således bredbånds- og smalbånds-perovskitter sammen, kunne føre til en højere effektkonverteringseffektivitet (PCE'er) end den, der opnås af enkeltforbindelsesceller uden at øge fremstillingsomkostningerne. For at bygge denne nye type solceller, imidlertid, forskere skal finde en måde at forbedre ydeevnen for hver subcelle, samtidig med at den integrerer bredbåndsgange og smalle båndgapceller synergistisk.

"Desværre, tidligere rapporterede blandede Pb-Sn perovskit-solceller med smal båndgab har udvist lav effektivitet (PCE~18-20 procent) og lav kortslutningsstrømtæthed (J _sc ~ 28-30 mA/cm ² ), "Tan sagde." Disse ligger langt under deres potentiale, og under ydeevnen af ​​de bedste Pb-baserede single-junction perovskite celler."

Den vigtigste årsag til den dårlige ydeevne observeret i tidligere udviklede perovskit-solceller med smal bånd er, at en af ​​deres nøglekomponenter, kendt som Sn ²⁺ , oxideres let til Sn ⁴⁺ . Som resultat, den resulterende cellefilm udviser høje fældetætheder og korte bærerdiffusionslængder. I deres undersøgelse, Tan og hans kolleger ønskede at identificere løsninger, der kunne hjælpe med at overvinde denne begrænsning.

"Vores hovedmål i dette arbejde er at igangsætte en strategi for at forstørre diffusionen af ​​perovskit-solceller med smal bånd og dermed opnå bedre udførte tandemsolceller, " sagde Tan. "Sn ledige stillinger er typisk forårsaget af inkorporeringen af ​​Sn ⁴⁺ (et produkt af Sn ²⁺ oxidation) i de blandede Pb-Sn-perovskitter. Vi var af den opfattelse, at en ny strategi til at forhindre oxidation af Sn ²⁺ i forløberopløsningen dramatisk kunne forbedre ladningsbærerens diffusionslængde. "

Tan og hans kolleger introducerede en ny kemisk tilgang, der i sidste ende kunne forbedre ydeevnen af ​​PSC'er. Denne tilgang er baseret på en komproportioneringsreaktion, der fører til væsentlige fremskridt i ladningsbærerdiffusionslængderne af blandede Pb-Sn smalbånds-perovskitter.

Tidligere foreslåede tilgange er alle kendetegnet ved sub-mikrometer diffusionslængder, hvilket kan forringe cellens samlede effektivitet. I deres arbejde, på den anden side, Tan og hans kolleger opnåede en diffusionslængde på 3 μm; et bemærkelsesværdigt resultat, der muliggør præstationsrekordbrydende Pb-Sn-celler og alle-perovskite tandemceller.

"Vi opnåede dette ved at udvikle en tin-reduceret strategi til forløberløsning, der returnerer Sn ⁴⁺ (et oxidationsprodukt af Sn ²⁺ ) tilbage til Sn ²⁺ via en proportioneringsreaktion i precursoropløsningen, "Forklarede Tan.

Oxidationen af ​​tinholdige perovskitter har været et afgørende problem for udviklingen af ​​solceller med en perovskitkomponent, da det kan påvirke deres ydeevne negativt og dermed hindre deres anvendelse i en række forskellige indstillinger. Den nye kemiske tilgang introduceret af Tan og hans kolleger giver en alternativ vej til fremstilling af tandemsolceller ved hjælp af tinholdig perovskit med smal båndgab, hvilket fører til mere stabile og effektive celler.

"Vores arbejde fremhæver også, at den elektroniske kvalitet af tinholdige perovskitter kan sammenlignes med den for blyhalogenidperovskitter, der har vist effektivitet svarende til krystallinske siliciumceller, " Tan tilføjede. "Vi er ikke i tvivl om, at vores tandem tilgang endelig vil tilbyde os en vej til meget billige, alligevel meget effektive solcelleanlæg. "

I deres undersøgelse, Tan og hans kolleger brugte deres kemiske tilgang til at fremstille monolitiske all-perovskite tandemceller og testede derefter deres ydeevne. De fandt ud af, at deres tandemceller opnåede imponerende uafhængigt certificerede PCE'er på 24,8 procent for enheder med lille område (0,049 cm ² ) og 22,1 procent for enheder med stort område (1,05 cm ² ).

I øvrigt, cellerne bevarede 90 procent af deres ydeevne efter at have arbejdet i mere end 400 timer ved deres maksimale effektpunkt under fuld en solbelysning. I fremtiden, den fremgangsmåde, der blev introduceret af dette forskerteam, kunne informere om udviklingen af ​​mere effektive og omkostningseffektive soldrevne enheder.

"Vi planlægger nu yderligere at forbedre effektkonverteringseffektiviteten af ​​alle-perovskite tandem solceller ud over 28 procent, "Tan sagde." Den første mulige måde at opnå dette på er at reducere fotovoltationstabet i perovskit-solcellen med bred båndgap. En anden mulighed er at reducere de optiske tab i tunneleringsrekombinationskrydset."

© 2019 Science X Network