Perovskiet-zonnecellen hebben de afgelopen jaren vooruitgang geboekt met een snelle toename van de energieomzettingsefficiëntie (van 3% in 2006 naar 25.5% vandaag), waardoor ze concurrerender zijn geworden met op silicium gebaseerde fotovoltaïsche cellen. Er zijn echter nog een aantal uitdagingen voordat ze een concurrerende commercial kunnen worden technologie.
Nu heeft een team van de NYU Tandon School of Engineering een proces ontwikkeld om een van deze problemen op te lossen, een knelpunt in een cruciale stap waarbij p-type doping van organische gatentransporterende materialen in de fotovoltaïsche cellen betrokken is. Het onderzoek “CO2 doping van organische tussenlagen voor perovskietzonnecellen”, verschijnt in NATUUR.
Momenteel is het p-dopingproces, dat wordt bereikt door het binnendringen en verspreiden van zuurstof in de gatentransportlaag, tijdrovend (enkele uren tot een dag), waardoor commerciële massaproductie van perovskietzonnecellen onpraktisch wordt.
Het Tandon-team, geleid door André D. Taylor, universitair hoofddocent, en Jaemin Kong, een postdoctoraal medewerker, samen met Miguel Modestino, assistent-professor – allen werkzaam bij de afdeling Chemische en Biomoleculaire Technologie – ontdekte een methode om de snelheid van deze belangrijke stap door het gebruik van koolstofdioxide (CO2) in plaats van zuurstof.
In perovskietzonnecellen zijn normaal gesproken gedoteerde organische halfgeleiders vereist als tussenlagen voor ladingsextractie, gelegen tussen de fotoactieve perovskietlaag en de elektroden. De conventionele manier om deze tussenlagen te doteren omvat de toevoeging van lithiumbis(trifluormethaan)sulfonimide (LiTFSI), een lithiumzout, aan spiro-OMeTAD, een π-geconjugeerde organische stof. Halfgeleider op grote schaal gebruikt voor een gatentransporterend materiaal in perovskietzonnecellen. Het dopingproces wordt vervolgens geïnitieerd door spiro-OMeTAD:LiTFSI-mengselfilms bloot te stellen aan lucht en licht.
Deze methode is niet alleen tijdrovend, maar hangt ook grotendeels af van de omgevingsomstandigheden. Taylor en zijn team rapporteerden daarentegen een snelle en reproduceerbare dopingmethode waarbij een spiro-OMeTAD:LiTFSI-oplossing met CO wordt doorborreld.2 onder ultraviolet licht. Ze ontdekten dat hun proces de elektrische geleidbaarheid van de tussenlaag snel honderd keer verbeterde in vergelijking met die van een ongerepte gemengde film, die ook ongeveer tien keer hoger is dan die verkregen door een zuurstofborrelproces. De CO2 behandelde film resulteerde ook in stabiele, hoogefficiënte perovskietzonnecellen zonder enige nabehandeling.
"Naast het verkorten van de fabricage- en verwerkingstijd van het apparaat, maakt de toepassing van de pre-gedoteerde spiro-OMeTAD in perovskietzonnecellen de cellen veel stabieler", legt Kong, de hoofdauteur, uit. “Dat komt deels doordat de meeste schadelijke lithiumionen in de spiro-OMeTAD:LiTFSI-oplossing tijdens de COXNUMX-periode werden gestabiliseerd als lithiumcarbonaten.2 borrelend proces.”
Hij voegde eraan toe dat de lithiumcarbonaten uiteindelijk worden uitgefilterd wanneer de onderzoekers de voorgedoteerde oplossing op de perovskietlaag gieten. “Zo kunnen we vrij zuivere, gedoteerde organische materialen verkrijgen voor efficiënte gatentransportlagen.”
Het team, bestaande uit onderzoekers van Samsung, Yale University, Korea Research Institute of Chemical Technology, The Graduate Center of the City University, Wonkwang University en het Gwangju Institute of Science and Technology ontdekte ook dat de CO2 dopingmethode kan worden gebruikt voor p-type dotering van andere π-geconjugeerde polymeren, zoals PTAA, MEH-PPV, P3HT en PBDB-T. Volgens Taylor willen de onderzoekers de grens verleggen voorbij de typische organische halfgeleiders die voor zonnecellen worden gebruikt.
“Wij geloven dat de brede toepasbaarheid van CO2 doping van verschillende π-geconjugeerde organische moleculen stimuleert onderzoek variërend van organische zonnecellen tot organische lichtemitterende diodes (OLED's) en organische veldeffecttransistors (OFET's), zelfs tot thermo-elektrische apparaten die allemaal gecontroleerde doping van organische halfgeleiders vereisen, "legde Taylor uit. , eraan toevoegend dat dit proces een behoorlijk grote hoeveelheid CO verbruikt2 gas, kan ook voor CO worden overwogen2 vang- en sekwestratiestudies in de toekomst.
“In een tijd waarin zowel overheden als bedrijven nu proberen de COXNUMX-uitstoot te verminderen2 Als we de uitstoot van broeikasgassen niet willen koolstofvrij maken, biedt dit onderzoek een mogelijkheid om grote hoeveelheden CO te laten reageren2 in lithiumcarbonaat om de volgende generatie zonnecellen te verbeteren en tegelijkertijd dit broeikasgas uit de atmosfeer te verwijderen”, legde hij uit, eraan toevoegend dat het idee voor deze nieuwe aanpak een contra-intuïtief inzicht was uit het batterijonderzoek van het team.
“Uit onze lange geschiedenis van het werken met lithium-zuurstof/lucht-batterijen weten we dat de vorming van lithiumcarbonaat door blootstelling van zuurstofelektroden aan lucht een grote uitdaging is, omdat hierdoor de lithiumionen van de batterij worden uitgeput, waardoor de batterijcapaciteit wordt vernietigd. Bij deze spirodopingreactie maken we echter feitelijk gebruik van de vorming van lithiumcarbonaat, dat lithium bindt en verhindert dat het mobiele ionen wordt die schadelijk zijn voor de stabiliteit van het lichaam op lange termijn. perovskiet Zonnecel. Wij hopen dat deze CO2 dopingtechniek zou een springplank kunnen zijn voor het overwinnen van bestaande uitdagingen in de organische elektronica en daarbuiten.”