Mesoporöse MoS₂ Strategie steigert Effizienz und Stabilität von Perowskit-Solarzellen

31. Oktober 2024                                                                                         Funktion

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von Ingrid Fadelli, Phys.org

Die Effizienz und Leistung von Photovoltaik (PV) haben sich in den letzten Jahrzehnten signifikant verbessert, was zu einer zunehmenden Verbreitung von Solartechnologien geführt hat. Um die Leistung von Solarzellen weiter zu verbessern, haben Energie-Forscher weltweit alternative Designstrategien entwickelt und getestet, wobei verschiedene Materialien und Zellstrukturen genutzt wurden.

Eine Klasse von Solarzellen, die vielversprechende Ergebnisse erzielt haben, basiert auf organisch-anorganischen hybriden Perowskiten, Materialien mit verschiedenen vorteilhaften Eigenschaften. Obwohl diese Zellen Wirkungsgrade von über 25% erreicht haben, sind sie oft instabil und empfindlich gegenüber verschiedenen externen Reizen (z.B. UV-Licht und Sauerstoff), was einer großflächigen Anwendung im Wege steht.

Forscher an der Ulsan National Institute of Science and Technology, der Korea University und anderen Instituten haben kürzlich eine neue mögliche Strategie vorgestellt, um die Effizienz und Stabilität von Perowskitsolarzellen zu steigern. Diese Strategie, die in einem in Nature Nanotechnology veröffentlichten Papier beschrieben wird, beinhaltet die Verwendung von mesoporösem strukturiertem Molybdändisulfid (MoS2) als Elektronentransportschicht (ETL) in Perowskitsolarzellen.

"Mesoporöse strukturierte Elektronentransportschichten (ETLs) in Perowskitsolarzellen (PSCs) haben einen erhöhten Oberflächenkontakt zur Perowskitschicht, was eine effektive Ladungstrennung und -extraktion sowie hoch effiziente Geräte ermöglicht", schrieben Donghwan Koo, Yunseong Choi und ihre Kollegen in ihrem Papier.

"Allerdings erfordert das am häufigsten verwendete ETL-Material in PSCs, TiO2, eine Sintertemperatur von mehr als 500 °C und unterliegt einer photocatalytischen Reaktion unter einfallendem Licht, die die Betriebsstabilität begrenzt. Neueste Bemühungen konzentrieren sich darauf, alternative ETL-Materialien, wie SnO2, zu finden."

Aufbauend auf früheren Forschungsbemühungen wollten Koo, Choi und ihre Kollegen die Leistung von Perowskitsolarzellen mithilfe von ETLs mit einer mesoporösen Struktur verbessern. Das bedeutet im Wesentlichen, dass das für diese Schichten verwendete Material winzige Poren (mit Größen im Bereich von 2 bis 50 nm) aufweist.

Sie verwendeten speziell mesoporöses MoS2, ein vielseitiges Material mit optoelektronischen Eigenschaften, das zuvor zur Entwicklung von Batterien, Fotodetektoren, Leuchtdioden (LEDs) und anderen Technologien verwendet wurde. Die Forscher stellten fest, dass die Einführung einer mesoporösen MoS2-ETL Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von über 25% und guter Stabilität ergab.

"Die MoS2-Zwischenschicht erhöht die Oberflächenkontaktfläche mit der benachbarten Perowskitschicht, verbessert die Ladungsübertragungsdynamik zwischen den beiden Schichten", schrieben Koo, Choi und ihre Kollegen.

"Darüber hinaus erleichtert die Übereinstimmung zwischen MoS2 und den Perowskit-Gittern das bevorzugte Wachstum von Perowskit-Kristallen mit geringen Restspannungen im Vergleich zu TiO2. Durch die Verwendung von mesoporösem strukturiertem MoS2 als ETL erzielen wir Perowskitsolarzellen mit Wirkungsgraden von 25,7% (0,08 cm2, zertifiziert 25,4%) und 22,4% (1,00 cm2)."

In ersten Tests erzielten die Solarzellen des Teams äußerst vielversprechende Ergebnisse, die sich im Vergleich zu Solarzellen mit einer TiO2-ETL positiv darstellten. Die Perowskitsolarzellen mit mesoporösem MoS2 behielten auch nach über 2000 Stunden Dauerbetrieb unter kontinuierlicher Beleuchtung 90% ihrer ursprünglichen Leistungsumwandlungseffizienz (PCE) bei.

Diese vielversprechenden Ergebnisse könnten zukünftige Bemühungen informieren, die darauf abzielen, die Effizienz und Stabilität von organisch-anorganischen Perowskitsolarzellen durch Einführung einer mesoporösen strukturierten MoS2-Schicht zu steigern. Diese Bemühungen könnten dazu beitragen, die Leistung von Perowskitsolarzellen auf das Niveau von siliziumbasierten PVs zu bringen und somit zu einer weit verbreiteten Anwendung in der Zukunft beizutragen.

Weitere Informationen:                                                 Donghwan Koo et al, Mesoporously strukturiertes MoS2 als Elektronentransportschicht für effiziente und stabile Perowskitsolarzellen, Natur-Nanotechnologie (2024). DOI: 10.1038/s41565-024-01799-8.

Journal Informationen:                                                 Natur-Nanotechnologie

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