Verbetering van de efficiëntie en stabiliteit van perovskietzonnecellen door moleculaire interface-engineering
Via moleculaire engineering van interfacelagen ontwikkelden Belgische onderzoekers een manier om de prestaties van omgekeerde p-i-n perovskietzonnecellen te verbeteren. De behandeling met twee lagen resulteerde in een verbeterde efficiëntie, met een relatieve stroomconversie-efficiëntie (PCE) die met 9 procent toenam, en een verhoogde stabiliteit. Bij het opschalen naar een mini-module bleven de opmerkelijke prestaties bovendien behouden.
Een weg naar schaalbare productie
Opkomst van Metaalhalogenide perovskieten in PV-cellen
Vanwege hun buitengewone optische en elektronische eigenschappen zijn metaalhalogenide perovskieten naar voren gekomen als veelbelovende materialen voor de volgende generatie fotovoltaïsche (PV) cellen. Dit wordt het best geïllustreerd door de snelle verbetering in PCE, een prestatiemaat, van perovskiet zonnecellen van <4 procent naar >20 procent in een kwestie van jaren. De commercialisering van dergelijke toepassingen vereist echter industrie-compatibele verwerkingstechnieken die onder andere de huidige stabiliteitsproblemen oplossen.
De grootste PCE-verliezen en instabiliteit van perovskietzonnecellen (PSC’s) worden algemeen gerapporteerd bij de interfaces tussen de perovskietabsorber en de ladingstransportlagen. Deze transportlagen zijn cruciaal voor een efficiënte extractie en transport van ladingsdragers. Optimalisatie van deze interfaces kan bijgevolg verliezen minimaliseren en de energie-extractie verbeteren, wat resulteert in een verhoogde efficiëntie en operationele stabiliteit.
Efficiëntie en stabiliteit verhogen
Een onderzoekssamenwerking tussen imec en UHasselt in Energyville richtte zich op het verbeteren van de twee perovskietinterfaces: de ‘bovenste’ interface (tussen het perovskiet en de fullereen-C60 elektronentransportlaag) en de ‘onderste’ interface (tussen het perovskiet en de NiOx-gebaseerde gatentransportlaag).
Om de efficiëntie te verhogen werden beide interfaces behandeld met een ammoniumzout, meer bepaald 2-thiofeenethylammoniumchloride (TEACl). De resultaten werden vergeleken met PSC’s met onbehandelde lagen. Deze behandeling zal naar verwachting de prestaties verhogen door een 2D perovskietlaag te creëren op het grensvlak.
Figuur 1 – Schematisch diagram van de architectuur van het apparaat. Pijlen duiden de TEACI-behandelde lagen aan.
Afbeelding: imec
De resulterende perovskietzonnecellen met de bovenste en dubbele interfacelaag vertoonden een onderdrukking van niet-stralingsrecombinatie, een verbeterd interfaciaal contact en een geoptimaliseerde banduitlijning in vergelijking met beide controles. Specifiek werd een kampioen PCE van 24,3 procent bereikt voor de zonnecellen met dubbele interface, samen met een kortsluitingsdichtheid van 24,5 mA/cm2, een open-circuit spanning van 1,17 V en een vulfactor van 84,6 procent.
“Naast de toename in efficiëntie hebben we ook een opmerkelijke stabiliteit waargenomen,” verklaarde Tom Aernouts, R&D manager van het Thin-Film Photovoltaics team. Na 1000 uur continubedrijf onder belichting met één zon behielden de apparaten 97 procent van hun prestaties, wat tot de beste van dit moment behoort. Bovendien behielden de met dubbele laag behandelde cellen na 1.850 uur veroudering 88 procent van hun oorspronkelijke prestaties, vergeleken met 55 procent bij de niet behandelde cellen. Samen tonen deze resultaten een buitengewone operationele en thermische stabiliteit van de behandelde PSC’s aan.
Opschaling naar een mini-module
Naast optimalisaties op celniveau onderzochten de onderzoekers ook verdere opschaling naar een mini-module met een actief oppervlak van 3,63 cm2.
“Onze onderzoeksgroep wil niet alleen efficiëntere, maar ook schaalbare PSC’s ontwikkelen, die de weg vrijmaken voor commercialisering. Daarom worden op het niveau van de PV-celproductie materialen en processen gekozen en geëvalueerd op basis van deze toekomstperspectieven.” Een hoge PCE van 22,6 procent en een vulfactor van 82,4 procent werden behouden in de mini-module met interfacebehandeling, wat duidt op een uitstekende reproduceerbaarheid.
Figure 2 – Foto van de mini-module.
Foto: imec
De modificatiestrategie, die resulteerde in zeer efficiënte, stabiele en schaalbare perovskietcellen, biedt mogelijkheden voor een breed scala aan samenstellingen en andere apparaatarchitecturen, zoals tandemcellen. “Aangezien dubbele interfacemodulaties effectief zijn gebleken in verschillende perovskietsamenstellingen, dragen deze bevindingen verder bij aan de ontwikkeling van schaalbare en commercieel levensvatbare perovskietzonneceltechnologie,” concluderen de onderzoekers.
De bevindingen worden volledig beschreven in het artikel ‘Minimizing the Interface-Driven Losses in Inverted Perovskite Solar Cells and Modules,’ gepubliceerd in ACS Energy Letters.