19.01.2021 - East China University of Science and Technology

Ein rein organischer Lochleiter

Feuchtestabiler, undotierter organischer Lochleiter verleiht Perowskit Solarzellen 21% Wirkungsgrad

Stabile, leistungsstarke Perowskit-Solarzellen benötigen stabile, leistungsstarke Leiterschichten. Wissenschaftler haben den ersten organischen Lochleiter entwickelt, der eine hohe Ladungsbeweglichkeit und Luftstabilität aufweist und ohne Dotierungsmittel auskommt. Laut der in der Zeitschrift Angewandte Chemie veröffentlichten Studie ist der neuartige Lochleiter leistungsfähiger als bisherige Materialien und schützt die organische Perowskit-Zelle gleichzeitig vor Feuchtigkeit.

In Perowskit-Solarzellen ist die lichtabsorbierende Perowskitschicht in zwei Leiterschichten eingebettet, die die erzeugten Ladungsträger – Elektronen und Löcher – sammeln und zu den Elektroden leiten. Diese Schichten tragen entscheidend zum Wirkungsgrad und der Langzeitstabilität der Solarzelle bei.

Die derzeit besten Lochleiter bestehen aus einem organischen Material, dem Spiro-OMeTAD. Um eine gleichmäßige Beweglichkeit der Ladungsträger zu erzielen, müssen Spiro-OMeTAD-Lochleiter jedoch dotiert werden, und das Dotierungsmittel hat die Eigenschaft, Feuchtigkeit anzuziehen. Das trägt zur Empfindlichkeit von Perowskit-Solarzellen gegenüber Feuchtigkeit bei.

Als neuartige Lochleitermaterialien erforschen deshalb Yongzhen Wu und Kollegen von der East China University of Science and Technology flache, aromatische, stickstoffhaltige Verbindungen namens Chinoxaline. In zwei neue Chinoxalin-Typen bauten sie zusätzliche schwefelhaltigen aromatischen Einheiten ein, die Thiophene. Solche thiophenhaltigen Chinoxaline haben ähnliche Energieniveaus wie die Perowskit-Lichtabsorptionsschicht und sollten deshalb gut die entstandenen Löcher als Ladungsträger extrahieren können, glaubten die Forscher.

In einem der Chinoxaline konnten die Thiophene mehr oder weniger frei rotieren, in dem anderen waren die Thiophene so verbunden, dass sie sich nicht drehen konnten. Beide schienen als dünne lochleitende Filme gut geeignet, berichten die Autoren. Doch nur die Verbindungen mit den unbeweglichen Thiophenen bildeten auch schichtartige Kristalle.

Für Perowskit-Solarzellen mit diesem Lochleitermaterial beobachteten die Wissenschaftler einen energetischen Wirkungsgrad von über 21%. Damit schnitten die Zellen besser ab als Referenzzellen mit dem dotierten Spiro-OMeTAD.

Die Autoren stellten zudem fest, dass die aus dem neuen Material hergestellten Bauteile deutlich haltbarer waren als mit dem dotierten Referenzmaterial. Die undotierten Bauteile „behielten innerhalb von 30 Tagen ein dunkles und gleichmäßig glänzendes Aussehen", schreiben die Wissenschaftler, wohingegen die dotierten SpiroMeTAD-Bauteile „offensichtlich langsam abbauten“.

Die Chinoxalin-haltigen Perowskit-Solarzellen widerstanden feuchter Luft, während die Leistung der Referenzzellen unter diesen Bedingungen schnell nachließ. Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass das neuartige dotierungsfreie dünne Schichtmaterial nicht nur die Extraktion und die Ableitung der Löcher ermöglicht, sondern die Perowskit-Solarzelle auch vor Feuchtigkeit schützt.

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