Forscher der Zhengzhou-Universität in China haben den Einsatz von Zwitterionen in Perowskit-Solarzellen untersucht und sind zu dem Schluss gekommen, dass diese elektrisch neutralen Moleküle durch mehrere Mechanismen, die über die herkömmliche Defektpassivierung hinausgehen, zur Effizienz und Stabilität der Bauelemente beitragen könnten.

Zwitterionen enthalten sowohl positiv als auch negativ geladene funktionelle Gruppen. Nach Angaben der Forscher ermöglicht diese duale Ladungsstruktur, dass sie innerhalb einer einzigen molekularen Einheit mit Defekten interagieren, die Kristallisation beeinflussen und Energieniveaus an Grenzflächen abstimmen. Ihre Wirksamkeit hängt von der Molekülstruktur, der Art des Einbringens und der Position innerhalb des Bauelements ab.

Im Perowskit-Absorber können Zwitterionen mit unterkoordinierten Ble ionen, Halogenidfehlstellen und Defekten interagieren, die mit organischen Kationen verbunden sind. Diese Wechselwirkungen können das Einfangen von Ladungsträgern und die nichtstrahlende Rekombination verringern. Die Übersichtsarbeit stellt fest, dass Verbindungen vom Betain-Typ umfassend untersucht wurden, während auch Zwitterionen auf Aminosäurebasis und andere funktionalisierte Zwitterionen vielversprechende Ergebnisse hervorgebracht haben.

Zu den berichteten Leistungsverbesserungen gehört eine Steigerung des Wirkungsgrads von 10,54 % auf 13,31 % in einer zinnbasierten Perowskit-Zelle unter Verwendung von L-Asparagin. Formamidinsulfinsäure ermöglichte einen Wirkungsgrad von 22,06 % in einem Bauelement mit großer Bandlücke. Zwitterionen können außerdem die Koordination von Vorläufern, die Keimbildung und das Kristallwachstum beeinflussen und dadurch zur Herstellung gleichmäßigere Filme mit weniger Poren und verbesserter Kristallinität beitragen.

Die Verbindungen können auch die Stabilität der photoaktiven schwarzen Phase in Perowskiten auf Cäsium- und Formamidiniumbasis erhöhen. Zu den weiteren berichteten Effekten gehören eine verringerte Ionenmigration, eine verbesserte Gitterintegrität, eine unterdrückte Oxidation von Zinn und geringere verbleibende mechanische Spannungen.

An den Grenzflächen zwischen der Perowskitschicht und Elektronen- oder Lochtransportschichten können Zwitterionen Defekte passivieren und zugleich die Ausrichtung der Energieniveaus verbessern. An Grenzflächen mit Zinnoxid, Titandioxid oder Zinkoxid können ihre molekularen Dipole die Austrittsarbeiten verändern und Barrieren für die Elektronenextraktion verringern. Die Übersichtsarbeit verweist außerdem auf flüssige Zwitterionen als mögliche Lösung für die geringe Löslichkeit und die Verarbeitungsbeschränkungen einiger fester Verbindungen.

An Lochtransport-Grenzflächen können Zwitterionen die Extraktion von Löchern erleichtern, die Oberflächenrekombination unterdrücken und die chemische Stabilität verbessern. Ein berichteter Zusatzstoff erhöhte den durchschnittlichen Wirkungsgrad von Bauelementen mit PEDOT von 10,29 % auf 14,29 %. Ein anderer Ansatz auf Basis von L-Tryptophan an einer Nickeloxid/Perowskit-Grenzfläche erzielte Wirkungsgrade von 23,79 % beziehungsweise 20,41 % für Bauelemente mit Bandlücken von 1,56 eV beziehungsweise 1,68 eV. Diese Bauelemente behielten mehr als 1.600 Stunden lang eine stabile Leistung bei.

Zwitterionische Zwischenschichten können auch an Elektrodenkontakten eingesetzt werden. Dort können molekulare Dipole die Austrittsarbeiten von Metallen anpassen, die Ausrichtung der Energieniveaus verbessern und die Ladungsextraktion unterstützen. In den untersuchten Studien erhöhte ein zwitterionisches Polymer den Wirkungsgrad von 17,31 % auf 19,16 %, während eine Verbindung auf Carboxylatbasis ihn von 15,08 % auf 17,10 % steigerte.

Die Forscher hoben außerdem das Potenzial von Zwitterionen hervor, Ionenmigration und Elektrodenkorrosion zu begrenzen, insbesondere an Silberkontakten. Es wurde berichtet, dass ein auf Naphthalindiimid basierendes Zwitterion sowohl Silber- als auch Iodidionen einfängt und dadurch dazu beiträgt, die Degradation an der Grenzfläche zu unterdrücken.

Die Übersichtsarbeit fordert klarere Rahmenbedingungen für Entwicklung und Bewertung, einschließlich Datenbanken, die molekulare Deskriptoren, Verarbeitungsparameter und Daten zur Bauelementleistung miteinander verbinden. Die Forscher schlagen vor, dass überwachtes Lernen dabei helfen könnte, geeignete Zwitterionen für bestimmte funktionelle Schichten zu identifizieren, während generative Modelle neue Molekülstrukturen vorschlagen könnten.

Die Arbeit mit dem Titel „Research progress of zwitterions in perovskite solar cells“ wurde in Sustainable Chemistry for Energy Materials veröffentlicht.

Quellen: pv magazine.