Divergent Solid-state Conversion Pathways in Evaporated All-perovskite Tandem Solar Cells
Door het onthullen van uiteenlopende vaste-stofconversiemechanismen in sequentieel verdampt breed-bandgap en smal-bandgap perovskietstapels, vestigt deze studie bandgap-specifieke controle als een ontwerpprincipe om de eerste verdampte all-perovskiet tandem zonnecel met een efficiëntie van 19,2% en verbeterde thermische stabiliteit mogelijk te maken.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
Zonne-energie wordt al lang beperkt door een fundamenteel plafond: een enkele laag materiaal kan slechts een specifieke strook van het zonlicht opvangen, waardoor de rest erdoorheen gaat of wordt omgezet in verloren warmte. Om deze barrière te doorbreken, hebben wetenschappers zich gericht op het stapelen van twee verschillende lagen op elkaar, waardoor een tandemcel ontstaat waarbij de bovenste laag hoogenergetisch licht opvangt en de onderste laag de rest opvangt. Het meest veelbelovende materiaal voor deze taak is een klasse kristallen die perovskieten worden genoemd, die kunnen worden afgestemd om verschillende kleuren licht te absorberen. Hoewel deze cellen indrukwekkende efficiëntieniveaus hebben bereikt in het laboratorium, worden ze momenteel gemaakt met behulp van vloeibare chemicaliën. Deze methode maakt gebruik van giftige oplosmiddelen en rommelige stappen die moeilijk op te schalen zijn naar grote, flexibele of industriële panelen. Een schoner, nauwkeuriger alternatief is om deze lagen vanaf nul op te bouwen in een vacuüm, door vaste materialen te verdampen totdat ze een film vormen, vergelijkbaar met hoe rijp zich op een raam vormt. Hoewel deze vacuümmethode goed werkt voor eenvoudige lagen, hebben wetenschappers moeite gehad om te begrijpen hoe ze de complexe, gemengde materiaallagen die nodig zijn voor tandemcellen kunnen maken zonder de hulp van vloeistoffen.
Een team van onderzoekers heeft dit puzzelstuk nu opgelost door in realtime te observeren hoe deze vacuüm-geëvacueerde lagen transformeren in werkende zonnecellen. Ze ontdekten dat het proces geen enkele, uniforme gebeurtenis is, maar eerder twee totaal verschillende paden volgt, afhankelijk van het type materiaal dat wordt gemaakt. Bij het creëren van de bovenste laag, die is ontworpen om blauw en groen licht te absorberen, mengen de materialen zich snel en gelijkmatig voordat de uiteindelijke kristalstructuur zelfs gevormd is. De onderzoekers ontdekten dat de kleur van het licht dat deze laag absorbeert simpelweg wordt bepaald door hoeveel van een specif kind ingrediënt met broom wordt toegevoegd, ongeacht de verhouding van andere ingrediënten. Het systeem werkt als een goed gemengde soep waarbij de uiteindelijke smaak afhangt van de totale hoeveelheid van een specifieke specerij, niet van de proportie van andere ingrediënten.
In schril contrast hiermee volgt de onderste laag, die is ontworpen om rood en infrarood licht te absorberen met een mengsel van tin en lood, een veel chaotischer pad. Zodra het organische component wordt toegevoegd, begint er een reactie op de interface tussen de lagen, waarbij een harde korst wordt gevormd die de resterende materialen eronder gevangen houdt. Deze vroege vorming creëert een barrière die voorkomt dat de ingrediënten grondig mengen. In plaats van een uniforme blend, eindigt het kristal met een verticaal gradiënt, waarbij de bovenkant rijk is aan lood en de onderkant rijk aan tin. De onderzoekers realiseerden zich dat deze ongelijkmatige menging plaatsvindt omdat het kristalrooster sneller vormt en uithardt dan de metaalatomen van plaats kunnen wisselen om hun perfecte plek te vinden. Dit inzicht verklaart waarom eerdere pogingen om deze cellen te maken inconsistent waren; het proces probeerde een uniforme mix af te dwingen in een systeem dat er van nature weerstand tegen biedt.
Gewapend met dit begrip van hoe de materialen zich gedragen, optimaliseerde het team het verwarmen en de timing voor elke laag afzonderlijk. Ze slaagden erin een volledige tandemzonnecel te creëren waarbij beide lagen volledig werden gevormd via deze droge, vacuümgebaseerde methode, zonder een enkele druppel vloeibaar oplosmiddel. Het resulterende apparaat zette zonlicht om in elektriciteit met een efficiëntie van 19,2 procent, een belangrijke mijlpaal voor deze specifieke productietechniek. Bovendien bleken de cellen opmerkelijk duurzaam; bij opslag in een warme omgeving gedurende 1.200 uur behielden ze 80 procent van hun initiële prestaties. Dit werk demonstreert dat het door de productieprocedure af te stemmen op het specifieke fysieke gedrag van elke laag, mogelijk is om hoogwaardige, oplosmiddelvrije zonnecellen te bouwen die klaar zijn voor de volgende generatie flexibele en grootschalige zonne-energie.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.