Forbedring af solcellernes ydeevne med grafenpanser

Et team af forskere, tilknyttet UNIST er kommet med en ny elektrode, der i høj grad kan forbedre stabiliteten af ​​perovskit solceller (PSC'er), den mest lovende kandidat til den næste generation af solceller på grund af deres lave omkostninger og høje effektkonverteringseffektivitet. Dette skyldes, at indsættelse af et beskyttelseslag mellem den metalbaserede elektrode og perovskitfilmen kan forhindre metalinduceret nedbrydning og at grafen, som sådan et lag, effektivt kan undertrykke diffusion af metaller og halogenider.

Dette gennembrud blev ledet af professor Hyesung Park og hans forskerhold på School of Energy and Chemical Engineering ved UNIST. I deres arbejde, forskergruppen udviklede en fleksibel metalgitterbaseret hybridelektrodeplatform ved hjælp af en Cu grid-embedded polyimid (CEP) film med et grafenark som beskyttelseslag (GCEP), som udviste høj elektrisk ledningsevne, fremragende kemisk stabilitet og mekanisk holdbarhed. Udviklingen demonstrerer grafens kritiske rolle som beskyttelseslag for at forhindre metalinduceret nedbrydning og haliddiffusion mellem elektroden og perovskitlaget.

Metaloxidbaserede elektroder (ITO'er) er blevet brugt som konventionelle gennemsigtige ledende elektroder, men deres ufleksibilitet får dem til let at blive brudt eller brudt, hvilket gør dem uegnede til bærbare enhedsapplikationer. I særdeleshed, den største hindring for den metalbaserede transparente ledende elektroder (TCE) anvendelse i PSC'er er nedbrydningen forårsaget af interdiffusion af metaller og halogenioner mellem metalelektroden og perovskitlaget.

Forskerne løste problemet ved at indsætte et grafenark som beskyttelseslaget ved grænsefladen mellem metalelektrode/perovskitlag. Graphene har høj elektrisk ledningsevne, som gør det muligt for elektroner at bevæge sig let igennem det. Imidlertid, den fremragende uigennemtrængelighed af grafen forhindrer gennemtrængning af selv det mindste molekyle.

"Grafen kan være en effektiv diffusionsbarriere, hvis den kombineres med metalliske nanostrukturer, der har en enestående uigennemtrængelighed for metal- og halogenidiondiffusion ved metalelektrode/perovskitlagsgrænsefladen, forbedret ladningssamling på tværs af tomrummet mellem metal -nanostrukturer, minimalt tab af optisk transmittans som beskyttelseslag på grund af dets høje optiske gennemsigtighed, og forbedring af den mekaniske holdbarhed af hybridelektroden, "bemærkede forskergruppen.

Forskerne brugte denne transparente og fleksible hybridelektrode til at fremstille fleksible metal TCE-baserede PSC'er, opnå god kemisk og mekanisk stabilitet. Denne enhed opnåede en høj PCE (16,4%), der kan sammenlignes med den for dens ITO-baserede stive modstykke (17,5%). De verificerede også grafenlagets rolle i at sikre solcellernes kemiske stabilitet ved at forhindre metal- og halogenidioninterdiffusion. Ud over, GCEP-elektroden forbedrede PSC-fotostabiliteten ved at blokere ultraviolet (UV) og nær-UV-lys. Det fastholdt også over 97,5% af den oprindelige effektivitet, selv efter 1, 000 timer. Ud over, efter 5, 000 bøjningstest, det viste fremragende mekanisk holdbarhed, såsom at opretholde 94% af den oprindelige effektivitet, og derfor kunne den anvendes på næste generations bærbare enheder.

"Dette papir viser, at indsættelse af et beskyttelseslag mellem den metalbaserede elektrode og perovskitfilmen kunne forhindre metalinduceret nedbrydning og at grafen, som sådan et lag, effektivt kan undertrykke diffusion af metaller og halogenider, "siger Gyujeong Jeong (Kombineret M.S/Ph.D. program for energi og kemiteknik, UNISt), undersøgelsens første forfatter.

"Den nye metode har forbedret både effektiviteten og stabiliteten af ​​PSC'er, "siger professor Park." Dette arbejde giver en effektiv strategi til at designe mekanisk og kemisk robuste ITO-fri metalassisterede TCE-platforme i PSC'er. "