Mesoporeuze MoS₂-strategie verhoogt de efficiëntie en stabiliteit van perovskietzonnecellen

De efficiëntie en prestaties van fotovoltaïsche zonne-energie (PV’s) zijn de afgelopen decennia aanzienlijk verbeterd, wat heeft geleid tot een toename van de acceptatie van zonnetechnologieën. Om de prestaties van zonnecellen verder te verbeteren, hebben energieonderzoekers over de hele wereld alternatieve ontwerpstrategieën bedacht en getest, waarbij gebruik werd gemaakt van verschillende materialen en celstructuren.

Een klasse zonnecellen waarvan is vastgesteld dat ze veelbelovende resultaten opleveren, zijn die op basis van organisch-anorganische hybride perovskieten, materialen met verschillende gunstige eigenschappen. Hoewel deze cellen een efficiëntie van meer dan 25% hebben bereikt, zijn ze vaak onstabiel en gevoelig voor verschillende externe stimuli (bijvoorbeeld UV-licht en zuurstof), wat hun grootschalige inzet belemmert.

Onderzoekers van het Ulsan National Institute of Science and Technology, Korea University en andere instituten hebben onlangs een nieuwe mogelijke strategie geïntroduceerd om de efficiëntie en stabiliteit van perovskietzonnecellen te vergroten. Deze strategie, uiteengezet in een paper gepubliceerd in Natuur Nanotechnologieomvat het gebruik van mesoporeus gestructureerd molybdeendisulfide (MoS₂) als elektronentransportlaag (ETL) in perovskietzonnecellen.

“Mesoporeuze gestructureerde elektronentransportlagen (ETL’s) in perovskietzonnecellen (PSC’s) hebben een verhoogd oppervlaktecontact met de perovskietlaag, waardoor effectieve ladingsscheiding en -extractie en zeer efficiënte apparaten mogelijk zijn”, schreven Donghwan Koo, Yunseong Choi en hun collega’s in hun papier.

“Het meest gebruikte ETL-materiaal in PSC’s is echter TiO₂vereist een sintertemperatuur van meer dan 500 ° C en ondergaat een fotokatalytische reactie onder invallende verlichting die de operationele stabiliteit beperkt. Recente inspanningen waren gericht op het vinden van alternatieve ETL-materialen, zoals SnO₂.”

Voortbouwend op eerdere onderzoeksinspanningen wilden Koo, Choi en hun collega’s de prestaties van perovskietzonnecellen verbeteren met behulp van ETL’s met een mesoporeuze structuur. Dit betekent in wezen dat het materiaal dat voor deze lagen wordt gebruikt, kleine poriën heeft (variërend van 2 tot 50 nm groot).

Ze gebruikten specifiek mesoporeuze MoS₂een veelzijdig materiaal met opto-elektronische eigenschappen dat eerder is gebruikt om batterijen, fotodetectoren, light-emitting diodes (LED’s) en andere technologieën te ontwikkelen. De onderzoekers ontdekten dat de introductie van een mesoporeuze MoS₂ ETL leverde zonnecellen op met een rendement boven de 25% en een goede stabiliteit.

“De MoS₂ tussenlaag vergroot het oppervlaktecontactgebied met de aangrenzende perovskietlaag, waardoor de dynamiek van de ladingsoverdracht tussen de twee lagen verbetert”, schreven Koo, Choi en hun collega’s.

“Daarnaast is er de matching tussen de MoS₂ en de perovskietroosters faciliteren preferentiële groei van perovskietkristallen met lage restspanning, vergeleken met TiO₂. Met behulp van mesoporeuze gestructureerde MoS₂ als ETL verkrijgen we perovskietzonnecellen met 25,7% (0,08 cm²gecertificeerd 25,4%) en 22,4% (1,00 cm²) efficiëntieverbeteringen.”

Bij de eerste tests behaalden de zonnecellen van het team veelbelovende resultaten, gunstig vergeleken met zonnecellen met een TiO₂ ETL. Met name de perovskiet-zonnecellen met een mesoporeuze MoS₂ bleken ook hun stabiliteit en 90% van hun initiële energieconversie-efficiëntie (PCE) te behouden na meer dan 2000 uur onder continue verlichting te hebben gewerkt.

Deze bemoedigende bevindingen zouden toekomstige inspanningen kunnen ondersteunen die gericht zijn op het vergroten van de efficiëntie en stabiliteit van organisch-anorganische perovskiet-zonnecellen door de introductie van een mesoporeuze gestructureerde MoS₂ laag. Deze inspanningen zouden ertoe kunnen bijdragen dat de prestaties van perovskietzonnecellen op één lijn komen te liggen met die van op silicium gebaseerde PV-cellen, wat zou bijdragen aan hun toekomstige wijdverspreide inzet.