Optimering af effektiv perovskite solcelleanlæg

Udvikling af billige og stabile metalelektroder er afgørende for masseproduktion af perovskit-solceller (PSC'er). Som et jordrigt grundstof bliver Cu en alternativ kandidat til at erstatte ædelmetalelektroder som Au og Ag på grund af dets sammenlignelige fysisk-kemiske egenskaber med samtidig god stabilitet og lave omkostninger. Den uønskede båndjustering forbundet med enhedsarkitekturen hindrer imidlertid udforskningen af ​​effektive Cu-baserede n-i-p PSC'er. For at løse dette problem undersøgte forskere i Kina energiniveauforskellen ved forskellige grænseflader og tilbød en potentiel vej frem for at opnå mere effektive n-i-p PSC'er med en Cu-elektrode.

De offentliggjorde deres arbejde den 8. juli i Energy Material Advances .

"Udviklingen af ​​omkostningseffektive og højtydende PSC'er er bydende nødvendigt," sagde papirforfatter Huanping Zhou, professor ved School of Materials Science and Engineering, Peking University (PKU). "I øjeblikket har Cu-elektroden tiltrukket sig meget opmærksomhed på grund af dens lave omkostninger og gode stabilitet, men den er begrænset i ydeevnen for n-i-p-struktur PSC'er."

Zhou forklarede, at Cu-elektroden har adskillige væsentlige fordele som et alternativ til Au eller Ag, især som bagelektroden, der er ansvarlig for transport af enheden i enheden.

"Cu er det jordrige grundstof, og det koster mindre end 1/80 af Ag og 1/5500 af Au," sagde Zhou. "Cu er den lovende kandidat til at være PSC-elektrode for dens sammenlignelige fysiske egenskaber (dvs. ledningsevne) med Au og Ag og gode stabilitet."

Men Cu-baserede n-i-p PSC'er kan ikke udvise høj fotovoltaisk ydeevne. Ifølge Zhou er den største forhindring, at Fermi-niveauet for hultransportlaget (HTL, såsom Spiro-OMeTAD, –4,19 eV) er helt anderledes med arbejdsfunktionen af ​​Cu (–4,7 eV), hvilket fører til stor Schottky-barriere ved HTL/Cu interface. Dette fænomen eksisterer ikke i p-i-n PSC'er, fordi Fermi-niveauet for almindeligt anvendte C₆₀ (elektrontransportlag) er omkring –4,5 eV, hvilket svarer til Cus arbejdsfunktion. Dette er grunden til, at Cu-baserede p-i-n PSC'er kan udvise høj optoelektronisk ydeevne, mens Cu-baserede n-i-p PSC'er ikke kan.

For at løse dette problem justerede Zhou og hendes team systematisk Fermi-niveauet af HTL'er for at matche Cu-elektrodens arbejdsfunktion, så energiforskellen ved HTL/Cu-grænsefladen kan reduceres for bedre transport af bærer. Men energiforskellen mellem perovskit (Fermi-niveauet er –4,08 eV) og Cu-elektroden er konstant, så den mindre energiforskel mellem HTL og Cu betyder større energiforskel mellem perovskit og HTL, hvilket er skadeligt for bærerekstraktion. Hvordan man afbalancerer energiforskellen mellem perovskite/HTL- og HTL/Cu-grænseflader er ved at blive vigtigt for PSC-ydelsen.

"Ligesom bucket-effekten håber vi, at både perovskite/HTL- og HTL/Cu-grænseflader ikke er de korteste buckets under enhedens drift," sagde Zhou. "I dette papir justerede vi omhyggeligt Fermi-niveauet for HTL'er for at afbalancere energiforskellen ved perovskite/HTL- og HTL/Cu-grænseflader ved at tilføje forskellige mængder PTAA til Spiro-OMeTAD."

"Vi konkluderede, at den afbalancerede energiforskel mellem perovskite/HTL og HTL/Cu-grænseflader betydeligt kunne forbedre ladningsopsamlings- og transportegenskaberne i de resulterende n-i-p PSC-enheder," sagde Zhou.

Forskerne testede den optoelektroniske ydeevne af n-i-p PSC'er baseret på Cu-elektroden og forskellige HTL'er. Gennem de fotovoltaiske parametre, sagde Zhou, kunne mindre energiforskel mellem HTL og Cu føre til højere kortslutningsstrømtæthed (Jsc), mens mindre energiforskel mellem perovskite og HTL kunne føre til højere åben kredsløbsspænding (Voc). Endelig kunne den afbalancerede energiforskel mellem perovskite/HTL og HTL/Cu-grænseflader føre til moderat Jsc og Voc, især højere fyldfaktor (FF), som i sidste ende bidrog til den forbedrede effektkonverteringseffektivitet (PCE).

"Den bedst ydende n-i-p PSC med Cu-elektroden opnåede en PCE på 20,10% med Voc på 1,084 V og FF på 78,77%," sagde Zhou. "Enhederne udviste også god stabilitet, som kunne forblive på 92% af deres oprindelige PCE efter 1000 timers lagring. Denne konstatering udvider ikke kun forståelsen af ​​båndjusteringen af ​​det tilstødende halvlederfunktionslag i enhedsarkitekturen for at forbedre den resulterende ydeevne, men antyder også et stort potentiale af Cu-elektroden til anvendelse i PSCs samfund." + Udforsk yderligere

Opløsningsmiddeleffekt på filmdannelse og enhedens ydeevne for 2D Dion-Jacobson perovskite solceller