محققان آلمانی رکورد ولتاژ مدار باز در سلول‌های خورشیدی پروسکایت را جا‌به‌جا کردند

در این پژوهش، محققان از سلول‌های خورشیدی با پیکربندی ساده «معکوس» استفاده کردند. در سلول‌های معکوس نور از محل تشکیل حفره وارد می‌شود. محققان به طور انحصاری بر روی لایه‌های انتقال کاملا آلی و دوپ نشده متمرکز شدند. سلول‌های خورشیدی معکوس مزایایی از جمله هیسترزیس کم و درجه حرارت پردازش پایین دارند که اخیرا در سلول‌های پروسکایت چنداتصالی مورد توجه قرار گرفته‌اند. در این پژوهش، یک لایه بسیار نازک کمتر از10 نانومتری از پلیمر شفاف و نیمه‌رسانای  PTAAبه عنوان مواد انتقال‌دهنده حفره استفاده می‌شود. بالای اتصال حفره، با ماده فعالی به ضحامت تقریبا 400 نانومتر به روش پوشش‌دهی دورانی و با استفاده از محلولی شامل چهار کاتیون پروسکایت مختلف پوشیده شده است.

برای بررسی اثر افزودن استرانسیم، حدود 0 تا 5 درصد از سرب با استرانسیم جایگزین شده است. یک لایه ۳۰ نانومتری از C60 به عنوان لایه انتقال الکترون، به روش تبخیر حرارتی بر روی سطح پروسکایت ایجاد شده است، که در ادامه با یک لایه 8 نانومتریBCP و یک لایه 100 نانومتری مس پوشانده شده است. پیش از این نشان داده شده است که C60 اتصال الکترونی انتخابی ایده‌آلی در ترکیب با MAPbI3 تشکیل نمی‌دهد.

محققان اظهار داشتند که این طراحی حتی با لایه‌های انتقال بار دوپ نشده می‌تواند بازدهی بالایی داشته باشد. بدین منظور، ترکیب اولیه پروسکایت یک کاتیون پروسکایت چهارگانه است که بر اساس ترکیب یدید سرب (PbI2) و برومید سرب (PbBr2) با چهار نمک کاتیونی متیل‌آمونیوم برومید (MABr)، فرمامیدین یدید  (FAI)، سزیم یدید (CsI) و روبیدیوم یدید (RbI) ایجاد می‌شود. در نهایت، مقدار کمی SrI2 محلول در(4: 1)  DMF: DMSO  با نسبت  Sr/Pb٪۰، ٪۰.۰۵، ٪۰.۱، ٪۰.۳، ٪۰.۵، ٪۱، ٪۲، ٪۵ به محلول اضافه شده تا اثر وجود مقادیر مختلف استرانسیم بررسی شود.

بر اساس نتایج این پژوهش، محققان اظهار داشتند که اضافه کردن مقدار کمی SrI2 به محلول کاتیون پروسکایت چهارگانه موجب افزایش قابل توجه ولتاژ مدارباز بدون نیاز به هیچ فرآیند لایه‌نشانی، می‌شود. بالاترین ولتاژ مدارباز به دست آمده در سلول‌های خورشیدی پروسکایت سوزنی با لایه انتقال الکترونی C60 و گاف انرژی 1.62 الکترون‌ولت،1.18  ولت می‌باشد. اندازه‌گیری‌های پیوسته و مطلق PL در ترکیب با PES نشان می‌دهد که افزودن استرانسیم سبب کاهش قابل توجه بازترکیب غیر‌تابشی در اتصال بین پروسکایت و لایه انتقال الکترونC60 است.

محققان این بهبود را به n-دوپینگ سطح پروسکایت و شکل‌گیری همزمان یک الکترون-حفره اختصاص داده‌اند، که در کنار یک گاف انرژی بزرگتر در سطح، دسترسی به حفره‌های تولید شده توسط نور به سطوح پروسکایت را کاهش می‌دهد. اضافه کردن لایه نازکی از یک پلیمر عایق بر روی سطح پروسکایت حاوی استرانسیم موجب افزایش ولتاژ مدارباز تا نزدیک 1.23 ولت شده، که به واسطه کاهش تنها ۱۱۰ میلی‌ولتی ولتاژ غیرتابشی است.

این پژوهش نه تنها باعث رسیدن به ولتاژ مدارباز و بازدهی بسیار بالا در سلول‌های پروسکایت سوزنی حاوی استرانسیم شده، بلکه اهمیت رسیدگی و به حداقل رساندن تلفات در فصل مشترک لایه‌های انتقال در سلول‌های خورشیدی را نشان می‌دهد.