HZB: warstwa chlorku cezu poprawia wzrost odparowywanego perowskitu na krzemie

Perowskit nakładany próżniowo na teksturowany krzem przejmuje nierówności warstwy, która leży pod nim. Do takiego wniosku doszedł zespół Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB). Badacze prześledzili w BESSY II, jak w ogniwie tandemowym powstają kolejne warstwy. Jako rozwiązanie zastosowali cienką warstwę zarodkującą z chlorku cezu (CsCl). Według komunikatu HZB warstwa ta poprawiła wzrost perowskitu i ograniczyła powstawanie jodku ołowiu na granicy z krzemem, a ogniwa z tą modyfikacją osiągnęły sprawność 30,3%.

Skąd biorą się niejednorodności

Badania dotyczyły monolitycznych ogniw tandemowych perowskit–krzem, w których warstwę perowskitu wytwarza się przez współodparowanie związków prekursorowych. HZB określa tę metodę jako ugruntowany proces przemysłowy. Kłopot leży w podłożu. Powierzchnia krzemu ma nanostrukturę poprawiającą pochłanianie światła. Pokrywa ją warstwa transportująca dziury, zbudowana z cząsteczek organicznych samorzutnie układających się w monowarstwę (SAM, ang. self-assembled monolayer). Zarówno SAM, jak i perowskit powinny pokrywać krzem możliwie równomiernie.

Pomiary skaningowym mikroskopem bliskiego pola działającym w podczerwieni (IR-s-SNOM) pokazały, że SAM nie jest idealną monowarstwą. Obok obszarów jednowarstwowych występowały miejsca z kilkoma warstwami cząsteczek, a nawet ich skupiska. Zespół porównał tworzenie się SAM na płaskim krzemie i na teksturowanych podłożach, istotnych dla przemysłu. Na tych drugich cząsteczki gromadziły się w zagłębieniach tekstury, przez co warstwa miała nierówną grubość.

Wzrost perowskitu na różnych fragmentach podłoża pokrytego SAM badacze śledzili za pomocą rentgenowskiej fotoemisyjnej mikroskopii elektronowej (XPEEM), również w BESSY II. Według HZB perowskit nie zniwelował niejednorodności podłoża, a na granicy od strony krzemu powstał niepożądany jodek ołowiu.

Chlorek cezu jako warstwa zarodkująca

Zespół wdrożył i przeanalizował rozwiązanie w postaci warstwy CsCl umieszczonej na granicy między podogniwami. „Umożliwia to równomierny wzrost współodparowywanych warstw perowskitu na teksturowanym krzemie i zapobiega powstawaniu defektów na granicy, wynikających z nierównego pokrycia warstwą transportującą dziury” – mówi pierwszy autor publikacji, dr Viktor Škorjanc.

Różnicę widać na zdjęciach ze skaningowego mikroskopu elektronowego udostępnionych przez HZB. Perowskit wyhodowany na nanostrukturyzowanym krzemie bez warstwy zarodkującej jest drobnoziarnisty i ma wiele defektów. Na warstwie CsCl jest wyraźnie bardziej jednorodny, ma mniej defektów i większe ziarna krystaliczne.

30,3% sprawności, bez danych o trwałości

Według HZB lepsza jakość warstwy przełożyła się na sprawność 30,3% w tandemowych ogniwach perowskit–krzem przygotowanych przez Stefanie Severin. Instytut nazywa ten wynik wybitnym jak na perowskity wytwarzane metodą odparowania. Komunikat nie podaje jednak powierzchni ogniw ani warunków pomiaru. Nie informuje też, czy wynik certyfikowała niezależna instytucja. Brakuje w nim również liczbowego porównania sprawności ogniw z warstwą CsCl i bez niej.

Proces próżniowy nie wymaga rozpuszczalników. Według HZB może to poprawić stabilność ogniw tandemowych, która wciąż jest jedną z głównych przeszkód w ich komercjalizacji. To przypuszczenie autorów, a nie wynik testów, ponieważ komunikat nie przytacza żadnych danych o starzeniu ogniw.

Dr Marcel Roß kieruje w HZB zespołem zajmującym się ogniwami z odparowywanym perowskitem. Jego zdaniem rozwiązanie to „prawdziwy krok naprzód w przenoszeniu rekordowych sprawności z laboratorium do niezawodnych, możliwych do produkcji przemysłowej technologii tandemowych”. Komunikat nie opisuje jednak kosztów procesu ani prób w skali pilotażowej.

Źródła

Helmholtz-Zentrum Berlin, komunikat „BESSY II: Evaporated perovskites in tandem solar cells improved”: https://www.helmholtz-berlin.de/pubbin/news_seite?nid=35126&seitenid=74699&sprache=en