Neue Designstrategien zur Verbesserung der Stabilität und Effizienz von bifazialen Perowskit-Solarzellen

15. Mai 2023 feature

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von Ingrid Fadelli , Tech Xplore

Solarzellen auf Basis von Perowskiten, Calcium-Titan-Oxid-Mineralien oder Verbindungen mit ähnlichen Strukturen zählen zu den vielversprechendsten aufkommenden Energielösungen. In den letzten Jahren haben Ingenieure und Materialwissenschaftler das Potenzial von Solar-Minimodulen (kleine Zellen, die zur Erstellung von großflächigeren Solarmodulen verwendet werden können), die aus bifazialen Perowskit-Strukturen bestehen, erkundet.

Wie ihr Name nahelegt, haben diese flachen Strukturen Perowskit-Materialien auf ihrer Vorder- und Rückseite, wobei die erste direktes Sonnenlicht und die letztere Licht, das auf Oberflächen reflektiert wird (d.h. Albedo-Licht), ernten. Obwohl Solar-Minimodule auf Basis von bifazialen Perowskit-Strukturen höhere Wirkungsgrad-Umwandlungseffizienzen (PCEs) als herkömmliche Perowskit-Solarzellen erreichen könnten, gestaltet sich das effektive Designieren bisher als herausfordernd.

Forscher der University of North Carolina in Chapel Hill haben kürzlich neue Designstrategien vorgestellt, die dazu beitragen könnten, die Effizienz und Stabilität von bifazialen Perowskit-Solarzellen zu verbessern. Unter Verwendung dieser Techniken, die in Nature Energy beschrieben sind, entwickelten sie neue Solar-Minimodule, die bemerkenswerte Leistungen erzielten.

"Perowskit-Solarzellen sind im Aufschwung mit schnell steigenden Effizienzen und ihrer schnellen Kommerzialisierung weltweit, aber es gibt immer noch viele verbleibende Herausforderungen zu bewältigen, einschließlich geringer Stabilität und geringem Wirkungsgrad beim Übertragen von Labormaßstab-Kleinzellen auf großflächige Module", erklärte Jinsong Huang, einer der Forscher, die die Studie durchgeführt hatten, gegenüber Tech Xplore. "Eine Unsicherheit besteht darin, ob die Kosteneinsparungen durch den Einsatz von kostengünstigen Perowskiten und Abscheidungsprozessen ausreichen, um mit fossilbasierten Energiequellen zu konkurrieren."

Durch gleichzeitiges Ernten von direktem Sonnenlicht und Albedo-Licht könnten bifaziale Solarzellen den Energieertrag von Solartechnologien verbessern. Bisher haben Forscher jedoch nur wenige bifaziale Perowskit-Zellen und -Module entwickelt, und die vorhandenen wiesen weitaus geringere Effizienzen als ihre einflächigen Gegenstücke auf.

"Das Ziel unserer jüngsten Arbeit war es, ein bifaziales Perowskit-Minimodul mit hoher Energieausbeute und langer Betriebsdauer zu demonstrieren", sagte Huang. "Die Hauptstrategien, die wir für die Designoptimierung von bifazialen Perowskit-Modulen vorschlagen, umfassen eine neu gestaltete Modulstruktur und eine hintere Elektrode, die Zugabe von hydrophoben Additiven zur Verbesserung der Feuchtigkeitsstabilität und die Verbesserung der Langwellenlängenlichtabsorption mit eingebetteten dielektrischen Nanopartikeln."

Huang und seine Kollegen entwickelten zunächst eine bifaziale Struktur, bei der einzelne Teilzellen durch Indiumzinnoxid (ITO) verbunden sind und mit Silbergittern getrennt sind, die durch einen optimalen Raum auf der hinteren ITO-Elektrode reduziert werden, um Verluste durch Widerstand zu minimieren (d.h. Verluste elektrischer Energie, die in Drähten auftreten können, wenn ein Strom fließt). Diese Konstruktion ist einfach und skalierbar, was bedeutet, dass sie die Herstellung und Kommerzialisierung von Perowskit-bifazialen Mini-Modulen im großem Maßstab ermöglichen könnte.

"Wir fanden auch heraus, dass die Zugabe von Tris(pentafluorophenyl)boran (TPFB) als Additiv in der Lochtransportschicht die Beschädigung der vor dem SnO2-Abscheiden durch Feuchtigkeit auf den Perowskitfilm deutlich verringerte", erklärte Huang.

"Zusätzlich verringerte die Zugabe von TPFB die Widerstandsfähigkeit der Lochtransportschicht und erhöhte die Energieausrichtung. Schließlich führten wir Nanopartikel (NPs) in den Perowskit ein, um das einfallende Sonnenlicht zu streuen und den optischen Pfad zu erhöhen, um ihre Absorptionsverluste insbesondere im langwelligen Bereich in bifazialen Modulen zu überwinden."

Mit ihrem vorgeschlagenen Design entwickelten die Forscher bifaziale Perowskit-Solarzellen kleiner Fläche, die eine Leistungsdichte von 26,4 mW cm-2 und bifaziale Minimodule erreichten, die eine Leistungsdichte von 23 mW cm-2 bei direkter Sonneneinstrahlung auf einer Seite und einer Albedo-Beleuchtung von 0,2 auf der anderen Seite erzielten. Diese Ergebnisse sind signifikant besser als die Leistungsdichten, die von zuvor entwickelten Perowskit-Einzelzellen und Minimodulen erzielt wurden.

Remarkably, the prototype minimodule developed by the team was also found to achieve a remarkably operational stability, only losing 3% of its initial efficiency after working for more than 6,000 hours. Combined, the design strategies introduced by this team of researchers could thus pave the way towards the large-scale fabrication of highly efficient and stable solar energy solutions based on bifacial perovskite structures.

'While some companies may already be working on commercializing perovskite bifacial solar cells, this work affirms the promising potential of these bifacial structures,' Huang added. 'We would now like to identify new strategies to continually improve the energy yield and stability of bifacial perovskite solar modules.'

More information: Hangyu Gu et al, Design optimization of bifacial perovskite minimodules for improved efficiency and stability, Nature Energy (2023). DOI: 10.1038/s41560-023-01254-3

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