Hvordan brugen af ​​forskellige former for titaniumoxid påvirker perovskit-solcellens ydeevne

Forskere ved Tokai University rapporterer i Nano bogstaver en systematisk undersøgelse af de effekter, som brug af forskellige former for titaniumoxid i plane perovskit-solceller har på enhedernes ydeevne.

Perovskite solceller, med en nuværende maksimal effektkonverteringseffektivitet på 23 procent, lover meget for at producere solcelleenergi gennem enheder, der er nemme og billige at fremstille. Plane celler er sammensat af et lag lavet af et lys-høstende materiale med en struktur, der går under navnet perovskit, og som ofte er et hybrid organisk-uorganisk materiale. I dette lag, det absorberede lys genererer ladningsbærere, elektroner og huller, som derefter indsamles, henholdsvis, i et elektrontransportlag og i et hultransportmateriale, som sandwich perovskit-laget. Disse to lag er igen dækket af elektroder, hvoraf den ene er gennemsigtig for at lukke lyset ind i enheden. Det er vigtigt at forbedre ydeevnen af ​​hvert af disse elementer for at maksimere solcellens effektivitet.

Md. Shahiduzzaman, Masao Isomura, Koji Tomita og kolleger fra Tokai University fokuserede især deres opmærksomhed på elektrontransportlaget. Det valgte materiale til denne komponent er ofte titaniumoxid, hvis elektroniske struktur gør det nemt at opsamle elektroner fra perovskitlaget. Titaniumoxid har flere krystalpolymorfer, herunder anatase, brookite, og rutil. De har forskellige strukturer og egenskaber, og deres forskellige morfologier påvirker kvaliteten af ​​perovskitlaget, valget af polymorf påvirker således solcellens samlede ydeevne, og det er vigtigt at forstå denne indflydelse for at optimere enhedernes effektivitet. I dette arbejde, forfatterne fokuserede på anatase- og brookit-formerne af titaniumoxid. Anatase er billig, transparent og nem at integrere i solcellen og er dermed et almindeligt valg for elektrontransportlaget, men brookite har lovende elektroniske egenskaber, der kan føre til bedre effektivitet af solcellen, og er ikke blevet udforsket meget endnu.

Forfatterne brugte en lavtemperatur- og miljøvenlig teknik til at fremstille stærkt ledende og enkeltkrystallinske brookit-nanopartikler, som de brugte til at producere heterofase-anatase-brookit- og brookite-anatase-elektrontransportlag, samt lag baseret på enfaset anatase og brookit. For at sammenligne ydeevnen af ​​de forskellige elektrontransportlag målte forskerne deres morfologiske, optiske og strukturelle egenskaber, evaluerede grænsefladen mellem lagene og perovskitten, og målte til sidst ydeevnen af ​​de resulterende solceller.

De fandt ud af, at brugen af ​​enfaset brookit resulterede i en strømeffektivitet på 14,92 procent, den højeste ydelse, der er rapporteret til dato for denne type elektrontransportlag. Heterofaselagene resulterede i præstationer på op til 16,82 procent for anatase-brookitfasen. Som forfatterne kommenterer, "det nuværende arbejde præsenterer en effektiv strategi til at udvikle heterofaseforbindelseselektrontransportlag og manipulere grænsefladeenergibåndet for yderligere at forbedre ydeevnen af ​​plane perovskit-solceller og muliggøre ren og miljøvenlig fremstilling af lavpris masseproduktion. "

Plane perovskit solceller

På den ene side af solcellen er der den første elektrode, et gennemsigtigt ledende oxid, typisk fluor-doteret tinoxid (FTO) eller indiumtinoxid (ITO), efterfulgt af et elektrontransportlag. På toppen er der det lysabsorberende lag lavet af perovskit-materialet - et materiale med en ABX3 kemisk formel, hvor A og B angiver to positivt ladede ioner, og X en negativt ladet ion —, derefter et hultransportmateriale og til sidst den anden elektrode, som almindeligvis er lavet af guld, sølv eller kulstof. Elektrontransportlaget er ikke altid til stede, men det letter transporten af ​​elektroner til elektroden og forbedrer således generelt effektiviteten og stabiliteten af ​​enheden.

Effektkonverteringseffektivitet og hvordan det måles

Effektkonverteringseffektivitet er den brøkdel af indfaldende strøm fra solen, der omdannes til elektricitet. De forhold, hvorunder effektiviteten måles, skal kontrolleres omhyggeligt, fordi effektiviteten ikke kun afhænger af solcellens egenskaber, men også på spektret og intensiteten af ​​det indfaldende sollys og på temperaturen. I laboratoriet, solceller testes ved 25 °C under hensyntagen til, at sollys dæmpes af atmosfæren, før det når jordens overflade (teknisk siges det, at en luftmassekoefficient på 1,5, AM1.5, anvendes).