Forskare från NUST MISIS (Ryssland) och Roms universitet Tor Vergata fick reda på att en mikroskopisk mängd tvådimensionell titankarbid som kallas MXene avsevärt förbättrar insamlingen av elektriska laddningar i en perovskitsolcell, öka den slutliga effektiviteten över 20 %. Resultaten av forskningen publicerades i Naturmaterial .

Perovskite tunnfilmssolceller är en lovande ny teknik för alternativa energikällor som aktivt utvecklas över hela världen. En av fördelarna är en enkel och låg produktionskostnad:perovskitsolceller kan skrivas ut från lösning på speciella bläckstråle- eller slitsformsskrivare utan användning av högtemperatur-/vakuumprocesser som för traditionella kiselceller. En annan fördel är möjligheten att tillverka på flexibla plastsubstrat, såsom vanlig polyetylentereftalat (PET). Den här funktionen tillåter användning av perovskite solceller (PV) i byggnadsintegrering genom att montera den tunna filmen på väggar och/eller på olika andra platser – som krökta glasfasader och fönster.

Eftersom det är en ny PV-teknik, ansträngningen av internationell forskning är att hitta den bästa strategin för att förbättra effektiviteten och stabiliteten av perovskite solceller. Effektiviteten för perovskitsolceller är redan jämförbar med kiselanaloger som dominerar marknaden (rekordeffektiviteten för en perovskite är 25,2 %, medan det för kiselceller är 26,7 %), dock, perovskitsolceller är fortfarande instabila på grund av flera interna nedbrytningsfaktorer. Många forskargrupper från universitet och FoU-företag tvingar för närvarande fram undersökningar och studier för att lösa problem med stabilitet och förbättring av effektiviteten hos perovskitceller. De flesta tillvägagångssätt rör optimering av den kemiska sammansättningen av perovskit, stabilisering av enhetens gränssnitt och införande av nya nanomaterial.

Ett internationellt team av forskare från L.A.S.E. (Laboratoriet för avancerad solenergi), Avdelningen för funktionella nanosystem och högtemperaturmaterial, båda ligger på NUST MISIS, Ryssland, och Tor Vergata universitet i Rom, ledd av professor Aldo Di Carlo, föreslagit ett originellt tillvägagångssätt för att designa perovskitsolceller med förbättrad prestanda, nämligen användningen av tvådimensionella titankarbidföreningar som kallas MXener för att dopa perovskit.

"Vi upptäcker att MXenes, på grund av deras unika tvådimensionella struktur, kan användas för att justera ytegenskaperna hos perovskit vilket möjliggör en ny optimeringsstrategi för denna tredje generationens solcell, " kommenterar professor Di Carlo.

Tunnfilm perovskit solceller har en sandwichstruktur, där laddningar rör sig från lager till lager genom gränssnitt och selektivt samlas vid elektroder. Som ett resultat, solenergi omvandlas till elektrisk ström. I enkla termer, elektroner bör transporteras från absorberande film till elektroder utan förluster som kan induceras av interna energibarriärer, och MXene-inkorporering förbättrar denna process.

"För att förbättra effektiviteten hos perovskitsolceller, vi måste optimera enhetsstrukturen och huvudgränssnittet och bulkegenskaperna för varje enskilt lager för att förbättra processen för laddningsextraktion till elektroderna, "Danila Saranin, en av författarna, forskare vid L.AS.E. kommentarer. "För att lösa det här problemet, tillsammans med våra italienska kollegor utförde vi en serie experiment genom att inkorporera en mikroskopisk mängd MXener i perovskitsolcellen. Som ett resultat, vi uppnådde en ökning av effektiviteten för enheter med mer än 25 %, jämfört med de ursprungliga prototyperna."

MXener introducerades sekventiellt i olika lager av perovskitsolcellen:ett fotoabsorberande lager, ett elektrontransportskikt baserat på titandioxid, och i gränssnittet mellan dem. Efter analys av utgångsprestanda för enheterna, vi fick reda på att den mest effektiva konfigurationen är den där MXenes introduceras till alla lager, inklusive gränssnittet. De experimentella resultaten bekräftas genom lämplig modellering av de erhållna strukturerna.

Detta arbete är unikt:det är den första rapporten som inte bara beskrev en serie experiment och de erhållna resultaten, men inkluderar också en tydlig förklaring av de mekanismer som förekommer i den modifierade perovskitsolcellen ur fysikalisk-kemi synvinkel.

"Huvudresultatet av detta arbete är identifiering av förändringar i de elektriska egenskaperna hos halvledare, orsakas av introduktionen av MXenes. Därav, detta nya nanomaterial har stor potential för användning i storskalig produktion, "Anna Pazniak, en av författarna, lägger till.

För närvarande, teamet försöker stabilisera den resulterande enheten och öka dess effektivitet. Studien finansierades inom den ryska federationens Megagrant.