Correlated Oxide Nanocrystal Inks for Hole-Selective Contacts in n-i-p Perovskite Photovoltaics

Sonnenlicht ist eine kraftvolle Ressource, aber um es effizient einzufangen, bedarf es von Materialien, die nicht nur Licht absorbieren, sondern auch den erzeugten Strom an den richtigen Ort leiten können. In der Welt der Solarzellen wird diese leitende Rolle oft von einem speziellen Typ von Material eingenommen, einem Halbleiter. Jahrzehntelang haben sich Wissenschaftler auf organische Verbindungen verlassen, um positive elektrische Ladungen, sogenannte Löcher, durch eine Solarzelle zu bewegen. Obwohl diese organischen Materialien gut funktionieren, haben sie einen erheblichen Nachteil: Sie sind teuer in der Herstellung, benötigen oft instabile chemische Zusatzstoffe, um zu funktionieren, und können bei Kontakt mit Hitze und Feuchtigkeit schnell degradieren. Dies hat Forscher dazu veranzt, nach anorganischen Alternativen zu suchen, insbesondere nach Metalloxiden, die von Natur aus robust und kostengünstig sind. Unter diesen sticht ein Material namens Nickeloxid als vielversprechender Kandidat hervor, da es positive Ladungen von Natur aus leitet, ohne dass diese instabilen Zusatzstoffe benötigt werden. Ein großes Hindernis verhinderte jedoch bisher dessen Einsatz in den fortschrittlichsten Solarzellendesigns: Die Art und Weise, wie es derzeit hergestellt wird, erzwingt eine Verarbeitung in Wasser, was die empfindliche lichtabsorbierende Schicht zerstört, auf der es sitzen soll.

Ein Forschungsteam der Universität Tokio hat dieses langjährige Problem gelöst, indem es eine neue Methode entwickelt hat, um Nickeloxid in eine flüssige Tinte zu verwandeln, die ohne Wasser auf Solarzellen aufgetragen werden kann. Ihre Arbeit, die kürzlich veröffentlicht wurde, beschreibt detailliert, wie sie winzige Partikel aus Nickeloxid aus einer wasserbasierten Mischung in eine nicht-wasserbasierte Lösung transformiert haben, die ihre Fähigkeit zur elektrischen Leitfähigkeit beibehält. Durch dies ermöglichten sie die Verwendung dieses langlebigen, anorganischen Materials in der effizientesten Architektur für Solarzellen, die derzeit verfügbar ist. Das Ergebnis ist eine Solarzelle, die nicht nur besser als der aktuelle Industriestandard performt, sondern auch unter extremen Umweltbedingungen wesentlich widerstandsfähiger ist, was den Weg für günstigere und länger haltbare Solarenergie ebnet.

Um zu verstehen, warum dies ein solcher Durchbruch ist, muss man zunächst die Struktur der Solarzellen betrachten, die die Forscher verbessern wollen. Die effizientesten Solarzellen verwenden derzeit ein geschichtetes Design, bei dem ein lichtabsorbierendes Material, bekannt als Perowskit, zwischen zwei Schichten platziert ist, die Elektrizität transportieren. In dem spezifischen Design, das die Forscher ins Visier genommen haben, ist die lichtabsorbierende Schicht zwischen einer unteren Schicht, die negative Ladungen bewegt, und einer oberen Schicht, die positive Ladungen bewegt, eingebettet. Jahrelang haben Wissenschaftler erfolgreich wasserbasierte Nickeloxidpartikel als diese obere Schicht in einem anderen, weniger effizienten Design verwendet. Als sie jedoch versuchten, diese wasserbasierte Schicht in dem effizienteren Design oben auf den Perowskit zu setzen, beschädigte das Wasser den Perowskit und ruinierte die Zelle. Die Herausforderung bestand darin, die Nickeloxidpartikel aus dem Wasser in ein Lösungsmittel zu überführen, das den Perowskit nicht schädigt, ohne dabei ihre Fähigkeit zur elektrischen Leitfähigkeit zu verlieren.

Die Forscher begannen damit, die fundamentale Natur dieser Nickeloxidpartikel zu untersuchen, um zu verstehen, wie sie mit ihrer Umgebung interagieren. Sie entdeckten, dass die Oberfläche dieser winzigen Partikel in Wasser mit Wasserstoffatomen bedeckt ist, die wie winzige Magnete wirken, Wassermoleküle anziehen und die Partikel voneinander getrennt halten. Um sie aus dem Wasser zu bewegen, entwickelte das Team einen cleveren zweistufigen Prozess. Zuerst führten sie eine Chemikalie ein, die sich vorübergehend an diese Oberflächenmagnete binden konnte, was effektiv die Lücke zwischen den wasserliebenden Partikeln und einem neuen, ölähnlichen Lösungsmittel überbrückte. Dieser Schritt ermöglichte es ihnen, die Partikel aus dem Wasser zu ziehen und in einen Zustand zu versetzen, in dem sie gewaschen und für die nächste Phase vorbereitet werden konnten.

Im zweiten Schritt ersetzten die Forscher die vorübergehende Brücke durch eine permanente Beschichtung aus spezifischen organischen Molekülen. Diese Moleküle besitzen einen Kopf, der sich fest an das Nickeloxidpartikel heftet, und einen langen Schwanz, der das neue, nicht-wasserbasierte Lösungsmittel liebt. Die Forscher wählten die Form und die chemische Zusammensetzung dieser Schwänze sorgfältig aus, um sicherzustellen, dass die Partikel nicht verklumpen und der Strom weiterhin leicht fließen kann. Sie fanden heraus, dass die richtige Kombination von Molekülen eine stabile, leitfähige Tinte erzeugte, die als dünner, gleichmäßiger Film aufgetragen werden konnte. Dieser Film fungierte als perfekter Highway für positive Ladungen, wodurch sie sich frei bewegen konnten, ohne steckenzubleiben oder blockiert zu werden.

Als die Forscher Solarzellen mit dieser neuen Nickeloxid-Tinte bauten, waren die Ergebnisse unmittelbar und beeindruckend. Die von ihnen entwickelten Geräte konnten Sonnenlicht mit einer Effizienz von 25,8 Prozent in Elektrizität umwandeln. Dies ist eine bedeutende Errungenschaft, da es die Leistung der derzeit besten Solarzellen, die das teure organische Material Spiro-OMeTAD verwenden, übertrifft. Darüber hinaus waren die neuen Zellen nicht nur anfangs leistungsstark; sie erwiesen sich als weita-lich dauerhafter. Bei Tests unter Bedingungen hoher Hitze und Luftfeuchtigkeit, die normalerweise zum schnellen Abbau von Solarzellen führen, behielten die Nickeloxid-Geräte nach mehr als 300 Stunden über 90 Prozent ihrer Leistung bei. Im Gegensatz dazu verloren die Zellen, die das traditionelle organische Material verwendeten, im gleichen Zeitraum einen wesentlich größeren Teil ihrer Effizienz.

Der Erfolg dieser Arbeit liegt in der präzisen Kontrolle, die die Forscher über die Chemie der Tinte ausübten. Indem sie genau verstanden, wie die Partikel mit den Beschichtungsmolekülen interagieren, konnten sie die Energieniveaus so abstimmen, dass der Stromfluss glatt und effizient verlief. Sie zeigten auch, dass die neue Tinte direkt auf die empfindliche Perowskit-Schicht aufgetragen werden konnte, ohne diese zu beschädigen – eine Leistung, die mit dieser Art von Material zuvor als unmöglich galt. Dieser Erfolg deutet darauf wir, dass die Zukunft hocheffizienter Solarzellen möglicherweise nicht von komplexen, teuren organischen Chemikalien abhängt, sondern von einfachen, robusten anorganischen Materialien, die leicht und kostengünstig verarbeitet werden können.

Die Auswirkungen dieser Forschung reichen über eine einzelne Solarzelle hinaus. Indem sie bewiesen haben, dass Nickeloxid zu einer stabilen, nicht-wasserbasierten Tinte verarbeitet werden kann, haben die Forscher die Tür für eine neue Klasse von Materialien geöffnet, die in einer breiten Palette elektronischer Geräte eingesetzt werden können. Die von ihnen entwickelte Methode ist vielseitig und könnte potenziell für andere Metalloxide angepasst werden, was eine allgemeine Lösung für das Problem der Verarbeitung anorganischer Materialien in empfindlichen elektronischen Umgebungen bietet. Während die Welt nach nachhaltigeren und effizienteren Energielösungen sucht, ist die Fähigkeit, Hochleistungs-Solarzellen mit langlebigen, kostengünstigen Materialien herzustellen, ein entscheidender Schritt nach vorn. Diese Arbeit bietet einen klaren und praktischen Weg, um dieses Ziel zu erreichen, und führt die Solartechnologie näher an eine Zukunft, in der saubere Energie sowohl leistungsstark als auch zugänglich ist.