DE202022100008U1

DE202022100008U1 - Ein Gerät zur Entwicklung umweltfreundlicher Perowskit-Solarzellen auf Ge-Basis

Info

Publication number: DE202022100008U1
Application number: DE202022100008.5U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2022-01-03
Filing date: 2022-01-03
Publication date: 2022-01-17
Anticipated expiration: 2032-01-04

Abstract

Vorrichtung (100) zum Entwerfen einer Perowskit-Solarzelle, wobei eine Vielzahl von Schichten der Vorrichtung (100) Folgendes umfasst:
eine transparente leitfähige Oxidschicht (TCO) (102) aus fluordotiertem Zinnoxid (FTO), die in Verbindung mit einem Substrat vorliegt;
ein Elektronentransportschichtmaterial (ETPLM)(104), das aus Zinnsulfid (SnS₂) besteht und über der TCO-Schicht mit n-Typ-Substrat angeordnet ist, um Elektronen effizient zu transportieren;
ein Lochtransportschichtmaterial (HTPLM)(106) aus Zinkphosphid (Zn₃P₂) zur optischen Absorption von Licht; und
eine Absorptionsschicht (108), die zwischen dem ETPLM (104) und dem HTPLM (106) angeordnet ist und einen photovoltaischen Parameter aus einem nicht verschmutzenden Methylammoniumgermaniumhalogenid (CH₃NH₃GeI₃) aufweist,
wobei die mehreren Schichten so angeordnet sind, dass das TCO (102) am ersten Ende über dem Substrat und das HTPLM (106) am zweiten Ende gegenüber dem ersten Ende angeordnet ist, um die Perowskit-Solarzellenvorrichtung (PSC) zu bilden.

Description

BEREICH DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Halbleiterbauelemente. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf das Gebiet der Gestaltung umweltfreundlicher Ge-basierter Perowskit-Solarzellen in Halbleiterbauelementen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Welt ist heute besorgt über die sich rasch erschöpfenden Reserven an fossilen Brennstoffen. Derzeit werden zahlreiche unerschöpfliche Energieoptionen wie Solarenergie, Windenergie, Biomasse usw. auf dem Markt eingeführt. Solarenergie ist jedoch in unserer Umwelt reichlich vorhanden und stellt eine sichere und saubere Energiequelle dar. Daher werden erhebliche Anstrengungen bei der Entwicklung fortschrittlicher Photovoltaiktechnologien unternommen, um einen höheren PCE und niedrigere Verarbeitungskosten zu erreichen.
In den letzten zehn Jahren haben die technologischen Fortschritte bei organisch-halogenidischen Perowskit-Solarzellen (PSC) einen höheren Absorptionskoeffizienten, eine längere Ladungsträgerdiffusionslänge, eine verbesserte Ladungsträgerbeweglichkeit, eine einfachere Herstellung in einer Vielzahl von Bereichen und die Fähigkeit, die Anforderungen von Photovoltaik- und Raumfahrtanwendungen zu erfüllen, gezeigt.
Die herkömmliche Formel der PSC-Struktur ist ABX₃, die ein organisches Methylammonium- (CH₃NH₃ ⁺) oder Formamidinium-(NH=CHNH₃ ⁺) Ion und ein anorganisches Element wie Pb, Ge oder Sn enthält. Das Problem dieser Struktur ist trotz ihrer höheren Effizienz ihre Instabilität und Toxizität, was ihre kommerzielle Nutzung verhindert.
Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, kann Germanium (Ge) als Perowskit-Material verwendet werden, das analoge optoelektronische Eigenschaften wie PSC aufweist. Außerdem ist Ge ein weitaus besserer Kandidat in Bezug auf Stabilität und Umweltfreundlichkeit. PSC-Bauteile auf Ge-Basis sind in der aktiven Schicht thermisch stabiler als PSC-Bauteile auf Bleibasis, was zu einer geringeren Materialverschlechterung führt.
CN104134711B offenbart ein Herstellungsverfahren für eine Perowskit-Solarzelle mit einem Umwandlungswirkungsgrad von 10.79%, wobei die beschriebene Batterie nacheinander von oben nach unten das Substrat (1), die transparente Elektrodenschicht (2), die Elektronentransportschicht (3), die Lichtabsorptionsschicht (4), die Lochtransmissionsschicht (5) und die obere Elektrodenschicht (6) enthält; wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Beschichtung der Elektronentransportschicht-Vorläuferlösung auf der transparenten Elektrodenschicht, die Elektronentransportschicht-Vorläuferlösung wird in weniger als 200 °C Hydrolyse gelöst und bildet einen dichten Film, und die erhaltene Dicke ist die Elektronentransportschicht von 30 ~ 60nm;der Einsatz wird mit PbI2dimethylformamid-Lösung gelöst und mit CH₃NH₃ das wässrige Isopropanol von I aufgelöst, das photovoltaische Material mit Perowskit-Struktur auf der Elektronentransportschicht ablagert, und die erhaltene Dicke ist die Lichtabsorptionsschicht von 300 ~ 400nm; auf Licht-Absorptionsschicht Oberflächenbeschichtung Loch mobile Material, bilden Dicke ist das Loch Übertragungsschicht von 100 ~ 200nm;auf Loch Übertragungsschicht, nehmen Vakuum thermische Verdampfung Metallelektrode Methode Ablagerung Dicke der oberen Elektrodenschicht von 60 ~ 150nm werden.
Um die oben genannten Einschränkungen zu überwinden, muss eine Perowskit-Solarzelle auf Ge-Basis entwickelt werden, die die Stromdichte und den Wirkungsgrad der Solarzelle erhöht, eine zuverlässigere Solarzelle schafft, die Leistung der Vorrichtung verbessert, das Perowskit-Substrat stabil hält und die Bewegung der Löcher von der lichtabsorbierenden Schicht zum Rückkontakt erleichtert.
Der technische Fortschritt, der durch die vorliegende Erfindung offenbart wird, überwindet die Einschränkungen und Nachteile bestehender und konventioneller Systeme und Methoden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Vorrichtung zur Entwicklung einer Ge-basierten Perowskit-Solarzelle.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Stromdichte und den Wirkungsgrad der Photovoltaikzelle zu erhöhen;
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine zuverlässigere Solarzelle zu schaffen;
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Verbesserung der Geräteleistung;
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, das Perowskit-Substrat stabil zu halten; und
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Bewegung von Löchern von der lichtabsorbierenden Schicht zum Rückkontakt zu erleichtern.

In einer Ausführungsform betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Entwerfen einer Perowskit-Solarzelle, wobei eine Vielzahl von Schichten der Vorrichtung Folgendes umfasst: eine transparente leitfähige Oxidschicht (TCO) aus fluordotiertem Zinnoxid (FTO), die über einem Substrat vorhanden ist;ein Elektronentransportschichtmaterial (ETPLM) aus Zinnsulfid (SnS₂), das über der TCO-Schicht mit n-Typ-Substrat angeordnet ist, um Elektronen effizient zu transportieren; ein Lochtransportschichtmaterial (HTPLM) aus Zinkphosphid (Zn₃P₂) zur optischen Absorption von Licht; und eine Absorptionsschicht, die sandwichartig zwischen dem ETPLM und dem HTPLM angeordnet ist und einen photovoltaischen Parameter aus einem nicht verschmutzenden Methylammoniumgermaniumhalogenid (CH₃NH₃GeI₃) aufweist, wobei die Vielzahl von Schichten so angeordnet ist, dass das TCO am ersten Ende über dem Substrat und die HTPLM-Schicht am zweiten Ende gegenüber dem ersten Ende angeordnet ist, um die Perowskit-Solarzellenvorrichtung (PSC) zu bilden.
In einer Ausführungsform hat das CH₃NH₃GeI₃ eine Bandlücke von 1.5-2.5 eV, wobei die Absorberschicht ein intrinsisches Verhalten und einen neutralen Defekttyp mit einer gaußschen Energieverteilung aufweist, wobei die charakteristische Energie der Absorberschicht 0.05-0.15 eV beträgt.
In einer Ausführungsform ist die HTPLM-Schicht aus p-Typ-Material.
In einer Ausführungsform erhöht sich die optische Absorptionskapazität in der Zn₃P₂-Ge-basierten PSC-Vorrichtung, wodurch mehr Elektronen und Löcher erzeugt werden und somit die Stromdichte steigt.
In einer Ausführungsform liegt die Dicke des CH₃NH₃GeI₃ zwischen 400-500nm und die des Zn₃P₂ zwischen 200-300nm.
Um die Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung weiter zu verdeutlichen, wird eine genauere Beschreibung der Erfindung durch Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen davon, die in den beigefügten Figuren dargestellt sind, gegeben. Es wird davon ausgegangen, dass diese Figuren nur typische Ausführungsformen der Erfindung zeigen und daher nicht als Einschränkung ihres Umfangs zu betrachten sind. Die Erfindung wird mit zusätzlicher Spezifität und Detail mit den beigefügten Figuren beschrieben und erläutert werden.
Figurenliste
Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Figuren gelesen wird, in denen gleiche Zeichen gleiche Teile in den Figuren darstellen, wobei:

1 ein Blockdiagramm einer Vorrichtung (100) für den Entwurf einer Perowskit-Solarzelle zeigt.
2a und 2b zeigen die grafische Darstellung der Analyse der Intensität des elektrischen Feldes und der Generations- und Rekombinationsrate auf dem vorgeschlagenen GBPSC-Gerät.

Der Fachmann wird verstehen, dass die Elemente in den Figuren der Einfachheit halber dargestellt sind und nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet wurden. Die Flussdiagramme veranschaulichen beispielsweise das Verfahren anhand der wichtigsten Schritte, um das Verständnis der Aspekte der vorliegenden Offenbarung zu verbessern. Darüber hinaus kann es sein, dass eine oder mehrere Komponenten der Vorrichtung in den Figuren durch herkömmliche Symbole dargestellt sind, und dass die Figuren nur die spezifischen Details zeigen, die für das Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung relevant sind, um die Figuren nicht mit Details zu überfrachten, die für Fachleute, die mit der vorliegenden Beschreibung vertraut sind, leicht erkennbar sind.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Um das Verständnis der Erfindung zu fördern, wird nun auf die in den Figuren dargestellte Ausführungsform Bezug genommen und diese mit bestimmten Worten beschrieben. Es versteht sich jedoch von selbst, dass damit keine Einschränkung des Umfangs der Erfindung beabsichtigt ist, wobei solche Änderungen und weitere Modifikationen des dargestellten Systems und solche weiteren Anwendungen der darin dargestellten Grundsätze der Erfindung in Betracht gezogen werden, wie sie einem Fachmann auf dem Gebiet der Erfindung normalerweise einfallen würden.
Der Fachmann wird verstehen, dass die vorstehende allgemeine Beschreibung und die folgende detaillierte Beschreibung beispielhaft und erläuternd für die Erfindung sind und nicht als einschränkend angesehen werden.
Wenn in dieser Beschreibung von „einem Aspekt“, „einem anderen Aspekt“ oder ähnlichem die Rede ist, bedeutet dies, dass ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder eine bestimmte Eigenschaft, die im Zusammenhang mit der Ausführungsform beschrieben wird, in mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten ist. Daher können sich die Ausdrücke „in einer Ausführungsform“, „in einer anderen Ausführungsform“ und ähnliche Ausdrücke in dieser Beschreibung alle auf dieselbe Ausführungsform beziehen, müssen es aber nicht.
Die Ausdrücke „umfasst“, „enthaltend“ oder andere Variationen davon sollen eine nicht ausschließliche Einbeziehung abdecken, so dass ein Verfahren oder eine Methode, die eine Liste von Schritten umfasst, nicht nur diese Schritte umfasst, sondern auch andere Schritte enthalten kann, die nicht ausdrücklich aufgeführt sind oder zu einem solchen Verfahren oder einer solchen Methode gehören. Ebenso schließen eine oder mehrere Vorrichtungen oder Teilsysteme oder Elemente oder Strukturen oder Komponenten, die mit „umfasst...a“ eingeleitet werden, nicht ohne weitere Einschränkungen die Existenz anderer Vorrichtungen oder anderer Teilsysteme oder anderer Elemente oder anderer Strukturen oder anderer Komponenten oder zusätzlicher Vorrichtungen oder zusätzlicher Teilsysteme oder zusätzlicher Elemente oder zusätzlicher Strukturen oder zusätzlicher Komponenten aus.
Sofern nicht anders definiert, haben alle hierin verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe die gleiche Bedeutung, wie sie von einem Fachmann auf dem Gebiet, zu dem diese Erfindung gehört, allgemein verstanden wird. Das System, die Methoden und die Beispiele, die hier angegeben werden, dienen nur der Veranschaulichung und sind nicht als Einschränkung gedacht.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren im Detail beschrieben.
1 zeigt ein Blockdiagramm einer Vorrichtung (100) zum Entwurf einer Perowskit-Solarzelle, wobei eine Vielzahl von Schichten der Vorrichtung (100) Folgendes umfasst: eine TCO-Schicht (102), eine ETPLM (104), eine HTPLM (106) und eine Absorptionsschicht (108).
Die transparente leitfähige Oxidschicht (TCO) (102) aus fluordotiertem Zinnoxid (FTO) befindet sich über einem Substrat. Das FTO hat eine Dicke von 250 nm, eine Bandlücke von 3.5 eV, eine Elektronenaffinität von 4 eV, eine Zustandsdichte im Leitungsband von 2.8 × 10¹⁸ cm^-3, eine Zustandsdichte im Valenzband von 1.8 × 10¹⁹ cm^-3, eine Beweglichkeit der Elektronen von 20 cm2v^-1s^-1, eine Beweglichkeit der Löcher von 10 cm2v-1s-1, eine Donor-Konzentration von 1×10¹⁹ cm^-3, eine relative Permittivität von 9.
Die Elektronentransportschichtmaterialien (ETPLM) (104) bestehen aus Tinsulfid (SnS₂), das über der TCO-Schicht mit n-Typ-Substrat angeordnet ist, um Elektronen effizient zu transportieren.
SnS₂ hat eine Dicke von 150 nm, eine Bandlücke von 1.85 eV, eine Elektronenaffinität von 4.26 eV, eine Zustandsdichte im Leitungsband von 7.32 × 10¹⁸cm^-3, eine Zustandsdichte im Valenzband von 1 × 10¹⁹cm^-3, eine Beweglichkeit der Elektronen von 50 cm2v^-1s^-1, eine Beweglichkeit der Löcher von 25 cm²v^-1s^-1, eine Donor-Konzentration von 9.85 × 10¹⁹cm^-3 und eine relative Permittivität von 17.7.
Das Lochtransportschichtmaterial (HTPLM) (106) besteht aus Zinkphosphid (Zn₃P₂) für die optische Absorption von Licht, wobei die HTPLM-Schicht (106) aus einem p-Typ-Material besteht und die optische Absorptionskapazität in der Zn₃P₂-Ge-basierten PSC-Vorrichtung zunimmt, wodurch mehr Elektronen und Löcher erzeugt werden und somit die Stromdichte steigt.
Das Zn₃P₂ hat eine Dicke von 250 nm, eine Bandlücke von 1.5 eV, eine Elektronenaffinität von 4.2 eV, eine Zustandsdichte im Leitungsband von 2.2 × 10¹⁸ cm^-3, eine Zustandsdichte im Valenzband von 1.8 × 10¹⁹ cm^-3, eine Beweglichkeit der Elektronen von 1cm²v^-1s^-1, eine Beweglichkeit der Löcher von 3.8 cm²v^-1s^-1, eine Akzeptorkonzentration von 1 × 10¹⁹ cm^-3, eine relative Permittivität von 7.11 und eine Defektdichte von 1 × 10¹⁴ cm^-3.
Die Absorptionsschicht (108), die zwischen dem ETPLM (104) und dem HTPLM (106) angeordnet ist, hat einen photovoltaischen Parameter aus einem nicht verschmutzenden Methylammoniumgermaniumhalogenid (CH₃NH₃GeI₃), wobei die Vielzahl von Schichten so angeordnet ist, dass das TCO (102) am ersten Ende über dem Substrat und das HTPLM (106) am zweiten Ende gegenüber dem ersten Ende positioniert ist, um die Perowskit-Solarzellenvorrichtung (PSC) zu bilden. Das CH₃NH₃GeI₃ hat eine Bandlücke von 1.5-2.5eV, wobei die Absorberschicht (108) ein intrinsisches Verhalten und einen neutralen Defekttyp mit einer gaußförmigen Energieverteilung aufweist, wobei die charakteristische Energie der Absorberschicht (108) 0.05-0.15eV beträgt.
Das CH₃NH₃GeI₃ hat eine Dicke von 450 nm, eine Elektronenaffinität von 3.98 eV, eine Zustandsdichte im Leitungsband von 1 × 10¹⁶ cm^-3, eine Zustandsdichte im Valenzband von 1 × 10¹⁵ cm^-3, eine Beweglichkeit der Elektronen von 162 × 10³ cm2v^-1s^-1, eine Beweglichkeit der Löcher von 101 × 10³ cm2v^-1s^-1, eine Donatorkonzentration von 1 × 10⁹ cm^3, eine Akzeptorkonzentration von 1 × 10⁹ cm^-3, eine relative Permittivität von 10 und eine Defektdichte von 1 × 10¹⁴ cm^-3.
Die SCAPS-Software basiert auf einem Schichtstapel unter Berücksichtigung von Dotierungskonzentration, Dicke, verschiedenen Defekten, Ladungsdichte, Mobilität von Elektronen und Löchern usw. Die aus den Anfangsparametern gewonnenen Simulationsergebnisse sind Leerlaufspannung (V_oc) = 0.53 V, Stromdichte (J_sc) = 17.92 mA/cm², FF = 56.37% und Wirkungsgrad = 4.98%, was fast dem experimentell ermittelten Ergebnis entspricht (Voc = 0.51 V, Jsc = 18.78 mA/cm², FF = 51% und Wirkungsgrad = 4.92%).
Gemäß einer Ausführungsform wird die höchste Stromdichte mit Zn₃P₂ (18.06 mA/cm²) erzielt, wobei die Lochtransportmaterialien andere HTPLMs um mehr als 19% übertreffen. Die Quanteneffizienz von Zn₃P₂ ist hoch. Bei allen HTPLMs, außer Zn₃P₂, geht die Quanteneffizienz jenseits der Wellenlänge von 650 nm gegen Null. Infolgedessen steigt die optische Absorptionskapazität in der Zn₃P₂-PSC-Vorrichtung auf Ge-Basis, wodurch mehr Elektronen und Löcher erzeugt werden und somit die Stromdichte der Vorrichtung steigt.
Mit zunehmender Defektkonzentration an der Grenzfläche sinkt die PCE der Photovoltaikzelle allmählich von 20.35% auf 11.88%, die Voc sinkt von 1.23V auf 0.945V, die Stromdichte von 18.52 mA/cm² auf 14.37 mA/cm² und die FF sinkt im Fall von HTPLM/Perowskit auf 87.53%. Der größte Rückgang ist im Fall von ETPLM/Perowskit zu verzeichnen, wo die PCE auf 9.43%, die V_oc auf 1.19 V, die Stromdichte von 18.52 mA/cm² auf 10.19 mA/cm² und die FF auf 77.86% zurückgeht. Die Abnahme der elektrischen Eigenschaften der Solarzelle ist auf die höhere Rekombination von Elektronen- und Lochpaaren zurückzuführen. Die Ergebnisse zeigen jedoch, dass die Dichte der Fallen an der Grenzfläche einen viel größeren Einfluss auf die Gesamtleistung der ETPLM/Perowskit-Grenzfläche hat als die der HTPLM/Perowskit-Grenzfläche. Daraus lässt sich ableiten, dass ETPLM/Perowskit eine leichte Grenzschicht ist, die mehr Elektronen- und Lochpaare erzeugt als die HTPLM/Perowskit-Grenzfläche. Die hohe Ladungsträgerdichte in ETPLM/Perowskit führt zu einem Anstieg der Fallen im Rekombinationszentrum, wodurch die Leistung der Zelle sinkt. Daher ist es notwendig, die Rekombination an diesen Grenzflächen zu minimieren und eine Grenzflächendichte von 10¹² cm^-3 einzuhalten.
2a und 2b zeigen eine grafische Darstellung der Analyse der Intensität des elektrischen Feldes und der Generations- und Rekombinationsrate am vorgeschlagenen GBPSC-Gerät.
Die Intensität des elektrischen Feldes, die Rate der Ladungsträgererzeugung und die Rate der Ladungsträgerrekombination geben Aufschluss über den Fluss von Elektronen und Löchern zu ihren jeweiligen Kontakten. Die Intensität des elektrischen Feldes in der GBPSC-Vorrichtung ist in dargestellt. Die grafische Analyse zeigt, dass die Intensität des elektrischen Feldes an der Zn₃P₂/Perowskit-Grenzfläche hoch ist und allmählich in den Bereich der Perowskit/SnS₂-Grenzfläche abfällt, wenn man tiefer in den Perowskit-Bereich vordringt. Elektronen aus dem Perowskit-Bereich werden in den SnS₂-Bereich übertragen, während Löcher aus dem Perowskit-Bereich in den Zn₃P₂-Bereich übertragen werden. Die Auswirkungen der Ladungsträgerproduktion und -rekombination im GBPSC-Bauelement sind in dargestellt. Wie aus dem Diagramm hervorgeht, sind die Erzeugungs- (durchgezogene Linie) und Rekombinationsraten (gepunktete Linie) im Zn₃P₂-Bereich höher als im SnS₂-Bereich, während die Erzeugungs- und Rekombinationsraten im Perowskit-Bereich zunehmen. Das Diagramm zeigt deutlich, dass die Hinzufügung von Zn₃P₂ in die photovoltaische Struktur zu einem signifikanten Anstieg des J_sc Wertes des Geräts führt. Dies ist auf die hohe Erzeugungsrate im Zn₃P₂-Bereich sowie im Zn₃P₂/Perowskit-Bereich im Vergleich zur Rekombinationsrate zurückzuführen. Infolgedessen steigt der Wirkungsgrad des Bauelements rasch an.
Die folgende Tabelle veranschaulicht die Gesamtleistung des optimierten GBPSC-Bausteins:

Voc (v) J_sc (mA/cm²) FF(%) Wirkungsgrad (%)

Nicht optimierte Solarzelle 1.22 18.520 89.74 20.35

Optimierte Solarzelle 1.26 23.781 86.70 25.98
Der Quantenwirkungsgrad einer photovoltaischen Zelle gibt an, wie viel Strom erzeugt wird, wenn sie Photonen einer bestimmten Wellenlänge ausgesetzt wird. Die Quanteneffizienz der nicht optimierten und der optimierten GBPSC zeigt deutlich, dass ein optimiertes Gerät mehr Photonen absorbiert als ein nicht optimiertes Gerät. Die Stromdichte der Solarzelle verbessert sich von 18.52 mA/cm² auf 23.781mA/cm². Infolgedessen steigt der Wirkungsgrad des Bauelements enorm auf 25.98 %.
Die thermische Stabilität des GBPSC-Bauelements wird für verschiedene Betriebstemperaturen von 280K bis 390K untersucht, um ein besseres Verständnis der Leistung des Bauelements in der Umgebung zu gewinnen. Die PCE sinkt linear von 26.38 % auf 23.72 %. V_oc und FF sinken auf 1.16 V bzw. 84.98 %. Die Stromdichte steigt von 23.70 mA/cm² auf 24.06 mA/cm². Es ist möglich, dass dies auf eine Zunahme der Defektdichte in den Schichten zurückzuführen ist, was zu einem geringeren Wirkungsgrad führt. Mit steigender Temperatur sinkt der Wirkungsgrad von Solarzellen aufgrund einer Zunahme der Verformungsspannung. Die Temperatur hat eine direkte Auswirkung auf die Diffusionslänge der Zelle, was zu einer Abnahme der Leerlaufspannung und des Füllfaktors der Geräte führt.
Gemäß einer Ausführungsform steigt der PCE des Geräts von 20.35 % auf 21.18 %, wenn die Absorberdicke zunimmt (bis zu 2 µm), aber dieser Anstieg gilt nur, wenn der Defekt bei 10¹⁴cm^-3 gehalten wird. Darüber hinaus sinkt die PCE der Bauelemente auf 21.08 % bei einer Dicke von 4 µm. Die Voc des Bauelements bleibt nahezu konstant bei 1.22 V, während die FF von 89.54 % auf 87.97 % sinkt. Während dieser Dickenänderung steigt der Jsc von 18.52 mA/cm² auf 19.57 mA/cm². Der Grund für die verbesserte PCE des Bauelements ist, dass bei Verwendung eines dicken Absorbers die Photonenabsorption und die Ladungsträgervermehrung in der Zelle erhöht werden, bis die Ladungsträgerdiffusionsbreite die Zelldicke übersteigt. Wenn die Ladungsträgerdiffusionsbreite kleiner wird als die Zelldicke, nimmt die PCE des Bauelements allmählich ab.
Wenn die Defektdichte von 10¹⁴ cm^-3 auf 10¹⁹ cm^-3 bei einer Dicke von 0.250 µm variiert wird, sinkt die PCE des Bauelements auf 12.19 %. In ähnlicher Weise änderten sich Voc und J_sc von 1.23 V auf 1.19 V bzw. 18.52 mA/cm² auf 18.43 mA/cm². Die größte Veränderung war bei FF zu beobachten, von 89.54 % auf 55.65 %. Dafür gibt es folgende Gründe: Wenn die Defektdichte niedrig ist, können die Ladungsträger ihre jeweiligen Kontakte leicht erreichen und die Leistung der Solarzelle ist gut. Erhöht man jedoch die Defektdichte, verringert sich die Leistung der Zelle proportional. Die größte Veränderung ist bei der FF zu beobachten: Wenn die Defektdichte steigt, erhöht sich der innere Absorberwiderstand des PSC-Bauteils, wodurch der Serienwiderstand der Solarzelle verstärkt wird. Infolgedessen sinkt der FF erheblich. Die Analyse legt daher nahe, dass eine Absorberschicht mit einer Dicke von 2 µm und einer Defektdichte von 10¹⁴ cm^-3 der optimale Wert wäre.
Die Figuren und die vorangehende Beschreibung geben Beispiele für Ausführungsformen. Der Fachmann wird verstehen, dass eines oder mehrere der beschriebenen Elemente durchaus zu einem einzigen Funktionselement kombiniert werden können. Alternativ dazu können bestimmte Elemente in mehrere Funktionselemente aufgeteilt werden. Elemente aus einer Ausführungsform können einer anderen Ausführungsform hinzugefügt werden. Die Reihenfolge der hier beschriebenen Prozesse kann beispielsweise geändert werden und ist nicht auf die hier beschriebene Weise beschränkt. Darüber hinaus müssen die Aktionen eines Flussdiagramms nicht in der gezeigten Reihenfolge ausgeführt werden; auch müssen nicht unbedingt alle Aktionen durchgeführt werden. Auch können die Handlungen, die nicht von anderen Handlungen abhängig sind, parallel zu den anderen Handlungen ausgeführt werden. Der Umfang der Ausführungsformen ist durch diese spezifischen Beispiele keineswegs begrenzt. Zahlreiche Variationen sind möglich, unabhängig davon, ob sie in der Beschreibung explizit aufgeführt sind oder nicht, wie z. B. Unterschiede in der Struktur, den Abmessungen und der Verwendung von Materialien. Der Umfang der Ausführungsformen ist mindestens so groß wie in den folgenden Ansprüchen angegeben.
Vorteile, andere Vorzüge und Problemlösungen wurden oben im Hinblick auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben. Die Vorteile, Vorzüge, Problemlösungen und alle Komponenten, die dazu führen können, dass ein Vorteil, ein Nutzen oder eine Lösung auftritt oder ausgeprägter wird, sind jedoch nicht als kritisches, erforderliches oder wesentliches Merkmal oder eine Komponente eines oder aller Ansprüche zu verstehen.
Bezugszeichenliste

100: Eine Vorrichtung (100) für den Entwurf einer Perowskit-Solarzelle
102: Transparente leitfähige Oxidschicht (TCO)
104: Materialien für Elektronentransportschichten (ETPLM)
106: Lochtransportschichtmaterial (HTPLM)
108: Absorptionsschicht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

CN 104134711 B [0006]

Claims

Vorrichtung (100) zum Entwerfen einer Perowskit-Solarzelle, wobei eine Vielzahl von Schichten der Vorrichtung (100) Folgendes umfasst: eine transparente leitfähige Oxidschicht (TCO) (102) aus fluordotiertem Zinnoxid (FTO), die in Verbindung mit einem Substrat vorliegt; ein Elektronentransportschichtmaterial (ETPLM)(104), das aus Zinnsulfid (SnS₂) besteht und über der TCO-Schicht mit n-Typ-Substrat angeordnet ist, um Elektronen effizient zu transportieren; ein Lochtransportschichtmaterial (HTPLM)(106) aus Zinkphosphid (Zn₃P₂) zur optischen Absorption von Licht; und eine Absorptionsschicht (108), die zwischen dem ETPLM (104) und dem HTPLM (106) angeordnet ist und einen photovoltaischen Parameter aus einem nicht verschmutzenden Methylammoniumgermaniumhalogenid (CH₃NH₃GeI₃) aufweist, wobei die mehreren Schichten so angeordnet sind, dass das TCO (102) am ersten Ende über dem Substrat und das HTPLM (106) am zweiten Ende gegenüber dem ersten Ende angeordnet ist, um die Perowskit-Solarzellenvorrichtung (PSC) zu bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobeidas CH₃NH₃GeI₃ eine Bandlücke von 1.5-2.5eV aufweist, wobei die Absorberschicht (108) ein intrinsisches Verhalten und einen neutralen Defekttyp mit einer gaußschen Energieverteilung aufweist, wobei die charakteristische Energie der Absorberschicht (108) 0.05-0.15eV beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die HTPLM-Schicht (106) aus p-Typ-Material besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die optische Absorptionskapazität in der PSC-Vorrichtung auf Zn₃P₂Ge-Basis zunimmt, wodurch mehr Elektronen und Löcher erzeugt werden und somit die Stromdichte steigt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Dicke des CH₃NH₃GeI₃ zwischen 400-500nm und die des Zn₃P₂ zwischen 200-300nm liegt.