Forskare vid Tokai University rapporterar in Nanobokstäver en systematisk studie av de effekter som användning av olika former av titanoxid i plana perovskitsolceller har på enheternas prestanda.

Perovskite solceller, med en nuvarande maximal effektomvandlingseffektivitet på 23 procent, lovar mycket för att producera solcellsenergi genom enheter som är enkla och billiga att tillverka. Plana celler är sammansatta av ett lager tillverkat av ett ljusupptagande material med en struktur som går under namnet perovskit och som ofta är ett organiskt–oorganiskt hybridmaterial. I detta lager, det absorberade ljuset genererar laddningsbärare, elektroner och hål, som sedan samlas in, respektive, i ett elektrontransportskikt och i ett håltransportmaterial, som lägger ihop perovskitskiktet. Dessa två lager är i sin tur täckta med elektroder, varav en är transparent för att släppa in ljuset i enheten. Att förbättra prestandan för vart och ett av dessa element är viktigt för att maximera solcellens effektivitet.

Md. Shahiduzzaman, Masao Isomura, Koji Tomita och kollegor från Tokai universitet fokuserade sin uppmärksamhet särskilt på elektrontransportskiktet. Det valda materialet för denna komponent är ofta titanoxid, vars elektroniska struktur gör det lätt att samla elektroner från perovskitskiktet. Titanoxid har flera kristallpolymorfer inklusive anatas, brookite, och rutil. De har olika strukturer och egenskaper och deras distinkta morfologier påverkar kvaliteten på perovskitskiktet, sålunda påverkar valet av polymorf solcellens totala prestanda, och att förstå detta inflytande är viktigt för att optimera enheternas effektivitet. I det här arbetet, författarna fokuserade på anatas- och brookitformerna av titanoxid. Anatas är billigt, transparent och lätt att integrera i solcellen och är därmed ett vanligt val för elektrontransportskiktet, men brookite har lovande elektroniska egenskaper som kan leda till bättre effektivitet hos solcellen, och har inte undersökts särskilt mycket ännu.

Författarna använde en lågtemperatur- och miljövänlig teknik för att framställa högledande och enkristallina brookitnanopartiklar som de använde för att producera heterofasanatas-brookit- och brookit-anataselektrontransportskikt, samt lager baserade på enfas anatas och brookit. För att jämföra prestandan hos de olika elektrontransportskikten mätte forskarna deras morfologiska, optiska och strukturella egenskaper, utvärderade gränssnittet mellan lagren och perovskiten, och slutligen mätte prestandan hos de resulterande solcellerna.

De fann att användningen av enfas brookite resulterade i en 14,92 procent strömeffektivitet, den högsta prestanda som hittills rapporterats för denna typ av elektrontransportskikt. Heterofasskikten resulterade i prestationer upp till 16,82 procent för anatas-brookitfasen. Som författarna kommenterar, "Det här arbetet presenterar en effektiv strategi för att utveckla heterofasövergångselektrontransportskikt och manipulera gränsytenergibandet för att ytterligare förbättra prestandan hos plana perovskitsolceller och möjliggöra ren och miljövänlig tillverkning av lågkostnadsmassaproduktion. "

Plana perovskite solceller

På ena sidan av solcellen finns den första elektroden, en transparent ledande oxid, typiskt fluordopad tennoxid (FTO) eller indiumtennoxid (ITO), följt av ett elektrontransportskikt. Ovanpå finns det ljusabsorberande skiktet tillverkat av perovskitmaterialet - ett material med en ABX3 kemisk formel, där A och B indikerar två positivt laddade joner, och X en negativt laddad jon —, sedan ett håltransportmaterial och slutligen den andra elektroden, som vanligtvis är gjord av guld, silver eller kol. Elektrontransportskiktet är inte alltid närvarande, men det underlättar transporten av elektroner till elektroden och förbättrar således generellt anordningens effektivitet och stabilitet.

Effektomvandlingseffektivitet och hur den mäts

Effektomvandlingseffektivitet är den del av infallande energi från solen som omvandlas till elektricitet. De förhållanden under vilka effektiviteten mäts måste kontrolleras noggrant, eftersom effektiviteten inte bara beror på solcellens egenskaper, men också på spektrumet och intensiteten av det infallande solljuset och på temperaturen. I labbet, solceller testas vid 25 °C med hänsyn till det faktum att solljuset dämpas av atmosfären innan det når jordytan (tekniskt sägs det att en luftmassakoefficient på 1,5, AM1.5, är använd).