Perowskite haben sich als kostengünstige, hocheffiziente Photovoltaik herauskristallisiert und nähern sich mit zertifizierten Wirkungsgraden von 25,2% bereits etablierten Technologien an. Die für Solarzellen verwendeten Perowskite haben eine ABX3-Struktur, bei der das Kation A Methylammonium (MA), Formamidinium (FA) oder Cäsium (Cs) ist; das Metall B ist Pb oder Sn; und das Halogenid X ist Cl, Br oder I. Unglücklicherweise leiden Einkation-Perowskite oft unter Phasen-, Temperatur- oder Feuchtigkeitsinstabilitäten. Dies ist besonders bemerkenswert bei CsPbX3 und FAPbX3, die bei Raumtemperatur als photoinaktive "gelbe Phase" stabil sind statt der erwünschteren photoaktiven "schwarzen Phase", die nur bei höheren Temperaturen stabil ist. Außerdem ist neben der Phasenstabilität der Betrieb von Perowskit-Solarzellen (PSCs) bei erhöhten Temperaturen (von 85 °C) erforderlich, um die Industrienormen zu erfüllen.
Kürzlich wurde gezeigt, dass Doppelkation-Perowskite (unter Verwendung von MA, FA oder Cs, FA) eine stabile "schwarze Phase" bei Raumtemperatur aufweisen.(1,2) Diese Perowskite zeigen auch unerwartete, neuartige Eigenschaften. Zum Beispiel unterdrücken Cs/FA-Mischungen die Halogenid-Entmischung, was Bandlücken für Perowskit/Silizium- oder Perowskit/Perowskit-Tandems ermöglicht.(3) Im Allgemeinen erhöht das Hinzufügen weiterer Komponenten die Entropie, was instabile Materialien stabilisieren kann (wie die "gelbe Phase" von FAPbI3, die mit dem ebenfalls instabilen CsPbI3 vermieden werden kann). Hier führen wir den Mischungsansatz weiter, um Dreifachkation-Perowskite (mit Cs, MA, FA) zu untersuchen, was zu einer deutlich verbesserten Reproduzierbarkeit und Stabilität führt.(4) Anschließend nutzen wir das Mehrfachkation-Engineering als Strategie, um das scheinbar zu kleine Rubidium (Rb) (das als Einkation-Perowskit nie eine schwarze Phase zeigt) zu integrieren, um neuartige Multikation-Perowskite zu untersuchen.(5)
Eine Zusammensetzung, die Rb, Cs, MA und FA enthält, ergab eine stabilisierte Effizienz von 21,6 % und eine Elektrolumineszenz von 3,8 %. Die Voc von 1,24 V bei einer Bandlücke von 1,63 eV führt zu einem sehr geringen Potentialverlust von 0,39 V, einem der niedrigsten, die an einem PV-Material gemessen wurden, was auf die nahezu rekombinationsfreie Natur der neuartigen Verbindung hinweist. Die polymerbeschichteten Zellen behielten 95% ihrer ursprünglichen Leistung bei 85°C für 500 Stunden unter voller Beleuchtung und Maximum Power Point Tracking. Dies ist ein entscheidender Schritt in Richtung Industrialisierung von Perowskit-Solarzellen.
Um schließlich das Thema der Mehrkomponenten-Perowskite weiter zu erforschen, wurden die molekularen Kationen mit Hilfe eines Globularitätsfaktors neu bewertet. Damit berechneten wir, dass Ethylammonium (EA) fälschlicherweise als zu groß klassifiziert wurde. Unter Verwendung der Multiplizierungsstrategie untersuchten wir eine EA-haltige Verbindung, die eine Leerlaufspannung von 1,59 V ergab, eine der höchsten bisher. Darüber hinaus demonstrieren wir mit Hilfe von EA eine kontinuierliche Feinabstimmung für Perowskite in der "grünen Lücke", die für Laser und Displaytechnik hoch relevant ist.
Im letzten Teil wird eine Roadmap zur Ausweitung der Multikation auf das Multikomponenten-Engineering erarbeitet, die eine Reihe neuer Verbindungen liefert, die hochrelevante Kandidaten für die kommenden Jahre sind.(6)
(1) Jeon et al. Nature (2015)
(2) Lee et al. Advanced Energy Materials (2015)
(3) McMeekin et al. Science (2016)
(4) Saliba et al., Cäsiumhaltige Dreifachkation-Perowskit-Solarzellen: verbesserte Stabilität, Reproduzierbarkeit und hohe Effizienz. Energie & Umwelt Wissenschaft (2016)
(5) Saliba et al., Incorporation of rubidium cations into perovskite solar cells improves photovoltaic performance. Science (2016).
(6) Turren-Cruz et al. Methylammonium-freie, leistungsstarke und stabile Perowskit-Solarzellen auf einer planaren Architektur Science (2018)
Fraunhofer-Einrichtung für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie IWKS