Timovi s HZB-a razvili su perovskitnu trostruku solarnu ćeliju s dvoslojem grafen oksida i samoorganizirajućeg monosloja koja postiže 27,3 posto učinkovitosti i zadržava više od 90 posto izvorne učinkovitosti nakon više od 770 sati rada.
Perovskitni poluvodiči učinkovito pretvaraju sunčevu svjetlost u električnu energiju, jeftini su i iznimno lagani. HZB-ov tim složio je tri različita perovskitna apsorbera s različitim energetskim procjepima u monolitnu trostruku ćeliju. Kombiniranjem dva ili više perovskitnih poluvodiča u višeslojnoj ćeliji solarni spektar iskorištava se učinkovitije, što povećava učinkovitost. Sve-perovskitne višeslojne ćelije nude niske troškove proizvodnje, malu težinu i mogućnost montaže na fleksibilne podloge.
Slojevi perovskita za više snage
Glavni fokus rada bio je međusloj između srednje i stražnje perovskitne podćelije. „Možete to zamisliti poput Big Maca, gdje su tri peciva odvojena različitim nadjevima poput mesa, salate ili sira. Ovdje bi to bio nadjev između srednjeg i donjeg peciva“, objašnjava Steve Albrecht, voditelj Odjela za perovskitne tandem solarne ćelije na HZB-u.
Slaba točka u stražnjoj ćeliji
Stražnji apsorberski sloj sastoji se od perovskitnog poluvodiča na bazi kositra i olova s niskim energetskim procjepom. Interakcija između tog sloja i sloja za transport šupljina ključna je za učinkovitost i stabilnost. Konvencionalni polimer PEDOT:PSS kao sloj za transport šupljina dovodi do gubitaka zbog apsorpcijskih procesa, a PCE brzo degradira.
„Sustavno smo istraživali utjecaj različitih vodljivih slojeva za šupljine na svojstva perovskita od kositra i olova, a time i na nove trostruke solarne ćelije“, kaže dr. Philipp Tockhorn, voditelj grupe na HZB-u.
„Već smo s velikim uspjehom uspostavili samoorganizirajuće monoslojeve (SAM) kao vodljive kontaktne slojeve u perovskitnim solarnim ćelijama na bazi olova, pa je imalo smisla koristiti ih i u perovskitima od kositra i olova te u trostrukim ćelijama“, kaže Kevin Prince, prvi koautor studije i postdoktorand na HZB-u.
SAM-ovi se sastoje od velikih organskih molekula koje se spontano organiziraju u monosloj. No, SAM-ovi sami po sebi ne rade dobro u ovim perovskitima od kositra i olova jer je transport šupljina neučinkovit. „Stoga smo eksperimentirali s dodatnim slojevima ispod SAM sloja koji bi djelovali kao vrsta podloge“, objašnjava Yeonghun Yun, prvi koautor i postdoktorand u timu.
Grafen oksid stabilizira sučelje
Istraživači su otkrili da sloj grafen oksida (GO) ispod SAM sloja poboljšava sučelje morfološki i elektronički, omogućujući učinkovitiji transport naboja. Tim je ugradio dvosloj GO/SAM umjesto konvencionalnog PEDOT:PSS sloja, čime su optički gubici značajno smanjeni.
„Postigli smo učinkovitost od 27,3 posto s trostrukim solarnim ćelijama, što je jedna od najviših vrijednosti za ovu tehnologiju“, kaže Albrecht. Trostruke ćelije s GO/SAM-om dokazale su se i u kontinuiranom radu: zadržale su više od 90 posto izvorne učinkovitosti nakon 770 sati, postavivši novi rekord stabilnosti za ovu arhitekturu.
„Naše analize sugeriraju da bi se poboljšanjem kvalitete pojedinačnih perovskitnih slojeva i međuslojnih filmova učinkovitost ove arhitekture mogla povećati na više od 30 posto“, zaključuje Albrecht.