Perowskit-Solarzellen haben in den letzten Jahren Fortschritte gemacht und den Wirkungsgrad der Stromumwandlung rasant gesteigert (von 3 % im Jahr 2006 auf 25.5 % heute), wodurch sie gegenüber siliziumbasierten Photovoltaikzellen wettbewerbsfähiger werden. Es bleiben jedoch noch einige Herausforderungen, bevor sie zu einem wettbewerbsfähigen Werbespot werden können Technologie.
Jetzt hat ein Team an der NYU Tandon School of Engineering einen Prozess entwickelt, um eines davon zu lösen: einen Engpass in einem kritischen Schritt, bei dem es um die p-Typ-Dotierung organischer Lochtransportmaterialien in den Photovoltaikzellen geht. Die Forschung „CO2 Dotierung organischer Zwischenschichten für Perowskit-Solarzellen“, erscheint in Natur.
Derzeit ist der p-Dotierungsprozess, der durch das Eindringen und Diffusion von Sauerstoff in die Lochtransportschicht erreicht wird, zeitintensiv (mehrere Stunden bis einen Tag), was eine kommerzielle Massenproduktion von Perowskit-Solarzellen unpraktikabel macht.
Das Tandon-Team unter der Leitung von André D. Taylor, einem außerordentlichen Professor, und Jaemin Kong, einem Postdoktoranden, sowie Miguel Modestino, Assistenzprofessor – alle in der Abteilung für Chemie- und Biomolekulartechnik – entdeckten eine Methode zur enormen Steigerung der Beschleunigung dieses Schlüsselschrittes durch den Einsatz von Kohlendioxid (CO).2) anstelle von Sauerstoff.
In Perowskit-Solarzellen werden normalerweise dotierte organische Halbleiter als Ladungsextraktionszwischenschichten zwischen der photoaktiven Perowskitschicht und den Elektroden benötigt. Das herkömmliche Mittel zur Dotierung dieser Zwischenschichten umfasst die Zugabe von Lithiumbis(trifluormethan)sulfonimid (LiTFSI), einem Lithiumsalz, zu Spiro-OMeTAD, einem π-konjugierten organischen Stoff Halbleiter Wird häufig als Lochtransportmaterial in Perowskit-Solarzellen verwendet. Der Dotierungsprozess wird dann eingeleitet, indem Spiro-OMeTAD:LiTFSI-Mischfilme Luft und Licht ausgesetzt werden.
Diese Methode ist nicht nur zeitaufwändig, sondern hängt auch stark von den Umgebungsbedingungen ab. Im Gegensatz dazu berichteten Taylor und sein Team über eine schnelle und reproduzierbare Dotierungsmethode, bei der eine Spiro-OMeTAD:LiTFSI-Lösung mit CO durchbrochen wird2 unter ultraviolettem Licht. Sie fanden heraus, dass ihr Verfahren die elektrische Leitfähigkeit der Zwischenschicht im Vergleich zu der eines reinen Mischfilms schnell um das Hundertfache steigerte, was auch etwa zehnmal höher ist als die, die durch ein Sauerstoffblasenverfahren erzielt wird. Der CO2 Der behandelte Film führte auch ohne Nachbehandlungen zu stabilen, hocheffizienten Perowskit-Solarzellen.
„Die Anwendung des vordotierten Spiro-OMeTAD in Perowskit-Solarzellen verkürzt nicht nur die Herstellungs- und Verarbeitungszeit des Geräts, sondern macht die Zellen auch wesentlich stabiler“, erklärte Kong, der Hauptautor. „Das liegt zum Teil daran, dass die meisten schädlichen Lithiumionen in der Spiro-OMeTAD:LiTFSI-Lösung während des CO als Lithiumcarbonate stabilisiert wurden.“2 sprudelnder Prozess.“
Er fügte hinzu, dass die Lithiumcarbonate letztendlich herausgefiltert würden, wenn die Forscher die vordotierte Lösung auf die Perowskitschicht schleuderten. „So können wir ziemlich reine dotierte organische Materialien für effiziente Lochtransportschichten erhalten.“
Das Team, zu dem Forscher von Samsung, der Yale University, dem Korea Research Institute of Chemical Technology, dem Graduate Center der City University, der Wonkwang University und dem Gwangju Institute of Science and Technology gehörten, fand außerdem heraus, dass das CO2 Die Dotierungsmethode kann für die p-Typ-Dotierung anderer π-konjugierter Polymere wie PTAA, MEH-PPV, P3HT und PBDB-T verwendet werden. Laut Taylor wollen die Forscher die Grenzen über typische organische Halbleiter hinausgehen, die für Solarzellen verwendet werden.
„Wir glauben, dass die breite Anwendbarkeit von CO2 „Die Dotierung verschiedener π-konjugierter organischer Moleküle regt die Forschung an, die von organischen Solarzellen über organische Leuchtdioden (OLEDs) und organische Feldeffekttransistoren (OFETs) bis hin zu thermoelektrischen Geräten reicht, die alle eine kontrollierte Dotierung organischer Halbleiter erfordern“, erklärte Taylor , und fügt hinzu, dass dieser Prozess eine ziemlich große Menge CO verbraucht2 Gas kann es auch für CO in Betracht gezogen werden2 Erfassungs- und Sequestrierungsstudien in der Zukunft.
„In einer Zeit, in der Regierungen und Unternehmen gleichermaßen versuchen, den COXNUMX-Ausstoß zu reduzieren2 Emissionen zu reduzieren, wenn nicht sogar zu dekarbonisieren, bietet diese Forschung eine Möglichkeit, große Mengen CO zu reagieren2 in Lithiumcarbonat, um Solarzellen der nächsten Generation zu verbessern und gleichzeitig dieses Treibhausgas aus der Atmosphäre zu entfernen“, erklärte er und fügte hinzu, dass die Idee für diesen neuartigen Ansatz eine kontraintuitive Erkenntnis aus der Batterieforschung des Teams sei.
„Aus unserer langen Erfahrung in der Arbeit mit Lithium-Sauerstoff/Luft-Batterien wissen wir, dass die Bildung von Lithiumcarbonat durch die Einwirkung von Luft auf Sauerstoffelektroden eine große Herausforderung darstellt, da dadurch die Batterie an Lithiumionen entleert wird, was die Batteriekapazität zerstört. Bei dieser Spiro-Dotierungsreaktion nutzen wir jedoch tatsächlich die Bildung von Lithiumcarbonat aus, das Lithium bindet und verhindert, dass es zu mobilen Ionen wird, was sich nachteilig auf die Langzeitstabilität des Lithiums auswirkt Perowskit Solarzelle. Wir hoffen, dass dieser CO2 Die Dotiertechnik könnte ein Sprungbrett zur Bewältigung bestehender Herausforderungen in der organischen Elektronik und darüber hinaus sein.“