Divergent Solid-state Conversion Pathways in Evaporated All-perovskite Tandem Solar Cells
Durch die Aufdeckung divergenter Festkörper-Konversionsmechanismen in sequenziell aufgedampften Wide-Bandgap- und Narrow-Bandgap-Perowskit-Stacks etabliert diese Studie die bandlücken-spezifische Kontrolle als Designprinzip, um die erste aufgedampfte All-Perowskit-Tandemsolarzelle mit einem Wirkungsgrad von 19,2 % und verbesserter thermischer Stabilität zu ermöglichen.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung des untenstehenden Papers. Sie wurde nicht von den Autoren verfasst oder gebilligt. Für technische Genauigkeit konsultieren Sie das Originalpaper. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Die Solarenergie war lange Zeit durch eine fundamentale Obergrenze begrenzt: Eine einzelne Materialschicht kann nur einen spezifischen Ausschnitt des Sonnenlichts einfangen, während der Rest hindurchscheint oder in verschwendete Wärme umgewandelt wird. Um diese Barriere zu durchbrechen, haben Wissenschaftler begonnen, zwei verschiedene Schichten übereinander zu stapeln und so eine Tandemzelle zu erschaffen, bei der die obere Schicht hochenergetisches Licht auffängt und die untere Schicht den Rest. Das vielversprechendste Material für diese Aufgabe ist eine Klasse von Kristallen namens Perowskite, die so abgestimmt werden können, dass sie unterschiedliche Farben des Lichts absorbieren. Obwohl diese Zellen im Labor beeindruckende Effizienzgrade erreicht haben, werden sie derzeit unter Verwendung flüssiger Chemikalien hergestellt. Diese Methode beinhaltet toxische Lösungsmittel und unordentliche Schritte, die schwierig hochzuskalieren sind für große, flexible oder industrielle Panels. Eine sauberere, präzisere Alternative besteht darin, diese Schichten von Grund auf in einem Vakuum aufzubauen, indem feste Materialien verdampft werden, bis sie einen Film bilden, ganz ähnlich wie Frost, der sich an einem Fenster bildet. Während diese Vakuummethode jedoch gut für einfache Schichten funktioniert, hatten Wissenschaftler Schwierigkeiten zu verstehen, wie man die komplexen, aus gemischten Materialien bestehenden Schichten herstellt, die für Tandemzellen benötigt werden, ohne die Hilfe von Flüssigkeiten.
Ein Forscherteam hat dieses Rätsel nun gelöst, indem es in Echtzeit beobachtete, wie sich diese im Vakuum abgeschiedenen Schichten in funktionierende Solarzellen verwandeln. Sie entdeckten, dass der Prozess kein einzelnes, einheitliches Ereignis ist, sondern vielmehr zwei völlig unterschiedliche Wege beschreitet, je nach Art des hergestellten Materials. Bei der Erstellung der oberen Schicht, die darauf ausgelegt ist, blaues und grünes Licht zu absorbieren, vermischen sich die Materialien schnell und gleichmäßig, noch bevor sich die endgültige Kristallstruktur überhaupt bildet. Die Forscher fanden heraus, dass die Farbe des Lichts, das diese Schicht absorbiert, einfach davon bestimmt wird, wie viel einer spezifischen bromhaltigen Zutat hinzugefügt wird, unabhängig vom Verhältnis anderer Zutaten. Das System verhält sich wie eine gut durchmischte Suppe, bei der der endgültige Geschmack vom Gesamtgehalt eines Schlüsselgewürzes abhängt, nicht vom Anteil der anderen Zutaten.
Im krassen Gegensatz dazu folgt die untere Schicht, die darauf ausgelegt ist, rotes und infrarotes Licht unter Verwendung einer Mischung aus Zinn und Blei zu absorbieren, einem viel chaotischeren Pfad. Sobald die organische Komponente hinzugefügt wird, beginnt eine Reaktion an der Grenzfläche zwischen den Schichten, die eine feste Kruste bildet, welche die verbleibenden Materialien darunter einschließt. Diese frühe Bildung erzeugt eine Barriere, die verhindert, dass sich die Zutaten gründlich vermischen. Anstatt einer gleichmäßigen Mischung weist das fertige Kristallendprodukt einen vertikalen Gradienten auf, wobei der obere Teil reich an Blei und der untere Teil reich an Zinn ist. Die Forscher erkannten, dass diese ungleichmäßige Vermischung geschieht, weil das Kristallgitter schneller entsteht und erstarrt, als die Metallatome ihre Plätze tauschen können, um ihre perfekten Positionen zu finden. Diese Erkenntnis erklärt, warum frühere Versuche, diese Zellen herzustellen, inkonsistent waren; der Prozess versuchte, eine gleichmäßige Mischung in einem System zu erzwingen, das ihr von Natur aus widersteht.
Bewaffnet mit diesem Verständnis darüber, wie sich die Materialien verhalten, optimierte das Team das Heizen und das Timing für jede Schicht separat. Es gelang ihnen, eine vollständige Tandem-Solarzelle zu erstellen, bei der beide Schichten vollständig durch diese trockene, vakuumbasierte Methode geformt wurden, ohne einen einzigen Tropfen flüssiger Lösungsmittel. Das resultierende Gerät wandelte Sonnenlicht mit einer Effizienz von 19,2 Prozent in Elektrizität um, was einen bedeutenden Meilenstein für diese spezifische Fertigungstechnik darstellt. Darüber hinaus erwiesen sich die Zellen als bemerkenswert widerstandsfähig; bei der Lagerung in einer warmen Umgebung behielten sie 80 Prozent ihrer ursprünglichen Leistung bei. Diese Arbeit zeigt, dass es durch die Anpassung des Herstellungsprozesses an das spezifische physikalische Verhalten jeder Schicht möglich ist, hochwertige, lösungsmittelfreie Solarzellen zu bauen, die bereit für die nächste Generation flexibler und großflächiger Solarenergie sind.
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