Verwendung von Seltenerdelementen zur Überwindung der Einschränkungen von Solarzellen
Verwendung von Seltenerdelementen zur Überwindung der Einschränkungen von Solarzellen
Quelle: AZO-MaterialienPerowskit-SolarzellenPerowskit-Solarzellen haben Vorteile gegenüber der aktuellen Solarzellentechnologie. Sie haben das Potenzial, effizienter zu sein, sind leichter und kosten weniger als andere Varianten. In einer Perowskit-Solarzelle ist die Perowskitschicht zwischen einer transparenten Elektrode an der Vorderseite und einer reflektierenden Elektrode an der Rückseite der Zelle angeordnet.Zwischen Kathoden- und Anodengrenzflächen werden Elektrodentransport- und Lochtransportschichten eingefügt, was die Ladungssammlung an den Elektroden erleichtert.Es gibt vier Klassifizierungen von Perowskit-Solarzellen basierend auf der morphologischen Struktur und der Schichtenfolge der Ladungstransportschicht: regelmäßige planare, invertierte planare, regelmäßige mesoporöse und invertierte mesoporöse Strukturen.Die Technologie weist jedoch mehrere Nachteile auf. Licht, Feuchtigkeit und Sauerstoff können ihren Abbau induzieren, ihre Absorption kann nicht übereinstimmen und es gibt auch Probleme mit der strahlungslosen Ladungsrekombination. Perowskite können durch flüssige Elektrolyte korrodieren, was zu Stabilitätsproblemen führt.Um ihre praktischen Anwendungen zu realisieren, müssen Verbesserungen bei der Leistungsumwandlungseffizienz und Betriebsstabilität vorgenommen werden. Jüngste technologische Fortschritte haben jedoch zu Perowskit-Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von 25,5 % geführt, was bedeutet, dass sie nicht weit hinter herkömmlichen Silizium-Photovoltaik-Solarzellen zurückbleiben.Zu diesem Zweck wurden Seltenerdelemente für Anwendungen in Perowskit-Solarzellen untersucht. Sie besitzen photophysikalische Eigenschaften, die die Probleme überwinden. Der Einsatz in Perowskit-Solarzellen wird daher ihre Eigenschaften verbessern und sie für den großtechnischen Einsatz für saubere Energielösungen geeigneter machen.Wie Seltenerdelemente Perowskit-Solarzellen unterstützenEs gibt viele vorteilhafte Eigenschaften der Seltenerdelemente, die zur Verbesserung der Funktion dieser neuen Generation von Solarzellen genutzt werden können. Erstens sind Oxidations- und Reduktionspotentiale in Seltenerdionen reversibel und reduzieren die Oxidation und Reduktion des Zielmaterials. Darüber hinaus kann die Dünnschichtbildung durch die Zugabe dieser Elemente reguliert werden, indem sie sowohl mit Perowskiten als auch mit Ladungstransportmetalloxiden gekoppelt werden.Darüber hinaus können Phasenstruktur und optoelektronische Eigenschaften durch substitutionelle Einbettung in das Kristallgitter angepasst werden. Eine Passivierung von Defekten kann erfolgreich erreicht werden, indem sie entweder interstitiell an den Korngrenzen oder auf der Oberfläche des Materials in das Zielmaterial eingebettet werden.Darüber hinaus können Infrarot- und Ultraviolettphotonen aufgrund des Vorhandenseins zahlreicher energetischer Übergangsbahnen in den Seltenerdionen in Perowskit-responsives sichtbares Licht umgewandelt werden.Dies hat zwei Vorteile: Es verhindert, dass die Perowskite durch hochintensives Licht beschädigt werden, und erweitert den spektralen Empfindlichkeitsbereich des Materials. Der Einsatz von Seltenerdelementen verbessert die Stabilität und Effizienz von Perowskit-Solarzellen deutlich.Modifizierung der Morphologie dünner FilmeWie bereits erwähnt, können Seltenerdelemente die Morphologie dünner Filme aus Metalloxiden verändern. Es ist gut dokumentiert, dass die Morphologie der darunterliegenden Ladungstransportschicht die Morphologie der Perowskitschicht und ihren Kontakt mit der Ladungstransportschicht beeinflusst.Beispielsweise verhindert die Dotierung mit Seltenerdionen die Aggregation von SnO2-Nanopartikeln, die zu strukturellen Defekten führen können, und mildert außerdem die Bildung großer NiOx-Kristalle, wodurch eine gleichmäßige und kompakte Kristallschicht entsteht. So können durch Dotierung mit seltenen Erden dünne Schichtfilme dieser Stoffe ohne Defekte erreicht werden.Darüber hinaus spielt die Gerüstschicht in Perowskit-Zellen mit mesoporöser Struktur eine wichtige Rolle bei den Kontakten zwischen der Perowskit- und Ladungstransportschicht in den Solarzellen. Die Nanopartikel in diesen Strukturen können morphologische Defekte und zahlreiche Korngrenzen aufweisen.Dies führt zu einer nachteiligen und schwerwiegenden strahlungsfreien Ladungsrekombination. Auch das Füllen der Poren ist ein Problem. Die Dotierung mit Seltenerdionen reguliert das Gerüstwachstum und reduziert Defekte, wodurch ausgerichtete und gleichmäßige Nanostrukturen entstehen.Durch Verbesserungen der morphologischen Struktur von Perowskit- und Ladungstransportschichten können Seltenerdionen die Gesamtleistung und Stabilität von Perowskit-Solarzellen verbessern und sie so für großtechnische kommerzielle Anwendungen besser geeignet machen.Die ZukunftDie Bedeutung von Perowskit-Solarzellen kann nicht unterschätzt werden. Sie bieten eine überlegene Energieerzeugungskapazität zu deutlich geringeren Kosten als die derzeit auf dem Markt erhältlichen Solarzellen auf Siliziumbasis. Die Studie hat gezeigt, dass die Dotierung von Perowskit mit Seltenerdionen seine Eigenschaften verbessert, was zu einer Verbesserung der Effizienz und Stabilität führt. Damit sind Perowskit-Solarzellen mit verbesserter Leistung der Realität einen Schritt näher gekommen.
