Ionenmigration in Organometalltrihalid-Perowskit und deren Auswirkungen auf die Photovoltaik-Effizienz und -Stabilität

Organometalltrihalidperowskite (OTPs) erweisen sich als äußerst vielversprechende photovoltaische Materialien, da die Effizienz der Energieumwandlung (PCE) von OTP-Solarzellen schnell steigt und nach nur fünf Jahren Forschung inzwischen mit der von einkristallinen Silizium-Solarzellen konkurriert. Die Aussichten, Silizium-Photovoltaik zu ersetzen, um die Kosten für erneuerbare saubere Energie zu senken, werden durch die Lösungsgestaltung bei niedrigen Temperaturen sowie die sehr kostengünstigen Rohstoffe und die relative Unempfindlichkeit gegenüber Defekten gestärkt. Die Flexibilität, Halbdurchsichtigkeit und lebendigen Farben der Perowskit-Solarzellen sind attraktiv für Nischenanwendungen wie integrierte Photovoltaik und tragbare, leichte Ladegeräte. Dennoch bleibt die geringe Stabilität der aktuellen hybriden Perowskit-Solarzellen ein ernstes Problem, das gelöst werden muss, bevor sie umfassend angewendet werden können. Unter all diesen Faktoren, die die Stabilität von Perowskit-Solarzellen beeinflussen, könnte die Ionenmigration in OTPs intrinsisch sein und kann nicht durch die Kapselung des Geräts beseitigt werden. Die Präsenz der Ionenmigration hat breite Aufmerksamkeit erhalten, nachdem von Hysterese bei Fotostrom in auf OTP basierenden Solarzellen berichtet wurde. Wie durch viele direkte und indirekte experimentelle Beweise angedeutet, wird spekuliert, dass die Ionenmigration die Ursache oder ein wichtiger Beitrag für viele beobachtete ungewöhnliche Phänomene in OTP-Materialien und -Geräten ist, wie z.B. Strom-Spannungs-Hysterese, schaltbare photovoltaische Effekte, riesige dielektrische Konstanten, vermindertes Transistorverhalten bei Raumtemperatur, fotoinduzierte Phasentrennung, fotoinduzierter Selbstpolarisationseffekt und elektrisch feldgetriebenen reversiblen Umwandlungen zwischen Bleiiodid (PbI2) und Methylammonium-Blei-Trijodid (MAPbI3). Zweifellos ist ein tiefes Verständnis des Ionenmigrationmechanismus für die Entwicklung von OTP-basierten Geräten zur Verbesserung der intrinsischen Stabilität im Dunkeln und unter Beleuchtung äußerst wünschenswert. In diesem Bericht überprüfen wir kritisch die jüngsten Fortschritte im Verständnis der grundlegenden Wissenschaft zur Ionenmigration in OTP-basierten Solarzellen. Wir betrachten sowohl theoretische als auch experimentelle Fortschritte bei der Beantwortung folgender grundlegender Fragen: Tritt Ionenmigration auf und verursacht sie die Fotostromhysterese in Perowskit-Solarzellen? Welche Ionenarten wandern? Wie wandern die Ionen? Wie wirkt sich die Ionenmigration auf die Effizienz und Stabilität des Geräts aus? Wie kann die Ionenmigration gemildert oder beseitigt werden? Wir stellen auch einige Fragen auf, die in Zukunft verstanden und behandelt werden müssen.