Ett team av forskare, anslutna till UNIST har kommit med en ny elektrod som avsevärt skulle kunna förbättra stabiliteten hos perovskite solceller (PSC), den mest lovande kandidaten för nästa generations solceller på grund av deras låga kostnad och höga effektkonverteringseffektivitet. Detta beror på att ett skyddsskikt mellan den metallbaserade elektroden och perovskitfilmen kan förhindra metallinducerad nedbrytning och att grafen, som ett sådant lager, kan effektivt undertrycka diffusionen av metaller och halogenidjoner.

Detta genombrott leddes av professor Hyesung Park och hans forskargrupp vid School of Energy and Chemical Engineering vid UNIST. I sitt arbete, forskargruppen utvecklade en flexibel metallnätbaserad hybridelektrodplattform genom att använda en Cu-grid-inbäddad polyimid-film (CEP) med ett grafenark som skyddsskikt (GCEP), som uppvisade hög elektrisk ledningsförmåga, utmärkt kemisk stabilitet och mekanisk hållbarhet. Utvecklingen visar grafenens kritiska roll som skyddsskikt för att förhindra metallinducerad nedbrytning och haliddiffusion mellan elektroden och perovskitskiktet.

Metalloxidbaserade elektroder (ITO) har använts som konventionella transparenta ledande elektroder, men deras oflexibilitet gör att de lätt går sönder eller går sönder, vilket gör dem olämpliga för applikationer med bärbara enheter. Särskilt, det största hindret för tillämpningen av metallbaserade transparenta ledande elektroder (TCE) i PSC:er är nedbrytningen som induceras av interdiffusion av metaller och halogenidjoner mellan metallelektroden och perovskitskiktet.

Forskarna löste problemet genom att infoga ett grafenark som skyddslager vid gränssnittet mellan metallelektrod och perovskit. Grafen har hög elektrisk ledningsförmåga, vilket gör att elektroner lätt kan röra sig genom den. Dock, den utmärkta impermeabiliteten hos grafen förhindrar genomträngning av även den minsta molekylen.

"Grafen kan vara en effektiv diffusionsbarriär om den kombineras med metalliska nanostrukturer som har enastående ogenomtränglighet för metall- och halidjondiffusion vid gränssnittet mellan metallelektrod och perovskitskikt, förbättrad laddningsuppsamling över tomrumsavstånden i metallnanostrukturerna, minimal förlust av optisk transmittans som skyddsskikt på grund av dess höga optiska transparens, och förbättring av hybridelektrodens mekaniska hållbarhet, " noterade forskargruppen.

Forskarna använde denna transparenta och flexibla hybridelektrod för att tillverka flexibla TCE-baserade PSC:er av metall, uppnå god kemisk och mekanisk stabilitet. Den här enheten uppnådde en hög PCE (16,4 %) jämförbar med den för dess ITO-baserade stela motsvarighet (17,5 %). De verifierade också grafenskiktets roll för att säkerställa solcellernas kemiska stabilitet genom att förhindra metall- och halidjoninterdiffusion. Dessutom, GCEP-elektroden förbättrade PSC-fotostabiliteten genom att blockera ultraviolett (UV) och nära UV-ljus. Den bibehöll också över 97,5 % av den initiala effektiviteten även efter 1, 000 timmar. Dessutom, efter 5, 000 böjtester, den visade utmärkt mekanisk hållbarhet som att bibehålla 94 % av den ursprungliga effektiviteten, och därför var det tillämpligt på nästa generations bärbara enheter.

"Det här dokumentet visar att införande av ett skyddsskikt mellan den metallbaserade elektroden och perovskitfilmen kan förhindra metallinducerad nedbrytning och att grafen, som ett sådant lager, kan effektivt undertrycka diffusionen av metaller och halogenidjoner, " säger Gyujeong Jeong (Kombinerat M.S/Ph.D.-program för energi och kemiteknik, UNISt), studiens första författare.

"Den nya metoden har avsevärt förbättrat både effektiviteten och stabiliteten hos PSC, ", säger professor Park. "Detta arbete ger en effektiv strategi för att designa mekaniskt och kemiskt robusta ITO-fria metallunderstödda TCE-plattformar i PSC:er."