Organische photovoltaische Bauelemente (OPVs) werden aus dünnen Filmen aus organischen Halbleitern wie Polymeren und niedermolekularen Verbindungen hergestellt und liegen typischerweise in der Größenordnung von 100 nm. Da polymerbasierte OPVs unter Verwendung eines Beschichtungsprozesses, wie z. B. Schleuderbeschichtung oder Tintenstrahldruck, hergestellt werden können, sind sie eine attraktive Option, um große Bereiche sowie flexible Kunststoffoberflächen kostengünstig abzudecken. Als vielversprechende kostengünstige Alternative zu herkömmlichen Solarzellen aus kristallinem Silizium gibt es in der Industrie und in der Wissenschaft einen großen Forschungsanteil für die Entwicklung von OPVs und die Steigerung ihrer Effizienz bei der Energieumwandlung.
Einwandige Kohlenstoff-Nanoröhren als Lichtsammelmedium
Einwandige Kohlenstoff-Nanoröhren besitzen eine breite Palette von direkten Bandlücken, die dem Sonnenspektrum entsprechen, starke Photoabsorption, von Infrarot bis Ultraviolett, und hohe Ladungsträgermobilität und reduzierte Ladungsträgertransportstreuung, die sich als ideales photovoltaisches Material eignen. Der photovoltaische Effekt kann in idealen einwandigen Kohlenstoffnanoröhren (SWNT) erreicht werden. Einzelne SWNTs können ideale pn-Übergangsdioden bilden. Ein ideales Verhalten ist die theoretische Leistungsgrenze für jede Diode, ein begehrtes Ziel in der Entwicklung aller elektronischen Materialien. Bei Beleuchtung zeigen SWNT-Dioden aufgrund verbesserter Eigenschaften einer idealen Diode signifikante Leistungsumwandlungseffizienzen.
Kürzlich wurden SWNTs direkt als Energiekonversionsmaterialien zur Herstellung von Dünnschichtsolarzellen konfiguriert, wobei Nanoröhren sowohl als Photoerzeugungsstellen als auch als Ladungsträgersammel- / Transportschicht dienen. Die Solarzellen bestehen aus einem semitransparenten dünnen Film aus Nanoröhren, die konform auf ein kristallines n-Siliziumsubstrat aufgetragen sind, um pn-Heteroübergänge hoher Dichte zwischen Nanoröhren und n-Si zu erzeugen, um Ladungstrennung zu begünstigen und Elektronen (durch n-Si) und Löcher zu extrahieren ( durch Nanoröhrchen). Anfängliche Tests haben eine Leistungsumwandlungseffizienz von & gt; 1% gezeigt, was beweist, dass CNTs-auf-Si eine potentiell geeignete Konfiguration zum Herstellen von Solarzellen ist. Zum ersten Mal zeigte Zhongrui Li, dass die SOCl2-Behandlung von SWNT die Leistungsumwandlungseffizienz von SWNT / n-Si-Heterojunction-Solarzellen um mehr als 60% steigert. Später wurde der Säure-Doping-Ansatz in den später veröffentlichten CNT / Si-Arbeiten weitgehend übernommen. Eine noch höhere Effizienz kann erreicht werden, wenn saure Flüssigkeit innerhalb des Hohlraums des Nanoröhren-Netzwerks gehalten wird. Die saure Infiltration von Nanoröhren-Netzwerken erhöht die Zelleffizienz signifikant auf 13,8%, wie von Yi Jia berichtet, indem der innere Widerstand, der den Füllfaktor verbessert, reduziert wird und photoelektrochemische Einheiten gebildet werden, die die Ladungstrennung und den Ladungstransport verbessern. Die durch Nasssäure induzierten Probleme können durch Verwendung eines ausgerichteten CNT-Films vermieden werden. In ausgerichteten CNT-Filmen ist die Transportentfernung verkürzt, und die Exzitonenlöschungsrate ist ebenfalls reduziert. Zusätzlich ausgerichteter Nanoröhrenfilm hat einen viel kleineren Hohlraum und einen besseren Kontakt mit dem Substrat. Somit kann die Verwendung einer ausgerichteten einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchenfolie zusätzlich zu einer starken Säuredotierung die Energieumwandlungseffizienz weiter verbessern (eine Rekord-hohe Energieumwandlungseffizienz von & gt; 11% wurde von Yeonwoong Jung erreicht).
Zhongrui Li fertigte auch die erste photovoltaische n-SWNT / p-Si-Vorrichtung durch Abstimmen von SWNTs von einer p-Typ- zu einer n-Typ-Polyethylenimin-Funktionalisierung.
Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Verbundwerkstoffe in der photoaktiven Schicht
Die Kombination der physikalischen und chemischen Eigenschaften von konjugierten Polymeren mit der hohen Leitfähigkeit entlang der Röhrenachse von Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) bietet einen großen Anreiz, CNTs in die photoaktive Schicht zu dispergieren, um effizientere OPV-Vorrichtungen zu erhalten. Die interpenetrierende Donor-Akzeptor-Hauptheterojunktion in diesen Vorrichtungen kann wegen des Vorhandenseins eines bikontinuierlichen Netzwerks Ladungstrennung und -sammlung erreichen. Entlang dieses Netzwerks können Elektronen und Löcher durch den Elektronenakzeptor und den Polymer-Lochdonor zu ihren jeweiligen Kontakten wandern. Es wird vorgeschlagen, dass die photovoltaische Effizienzverstärkung auf die Einführung von internen Polymer / Nanoröhrenkreuzungen innerhalb der Polymermatrix zurückzuführen ist. Das hohe elektrische Feld an diesen Übergängen kann die Exzitonen aufspalten, während die einwandige Kohlenstoff-Nanoröhre (SWCNT) als Weg für die Elektronen dienen kann.
Die Dispersion von CNTs in einer Lösung eines Elektronendonator-konjugierten Polymers ist vielleicht die üblichste Strategie, um CNT-Materialien in OPVs zu implementieren. Im Allgemeinen werden Poly (3-hexylthiophen) (P3HT) oder Poly (3-octylthiophen) (P3OT) für diesen Zweck verwendet. Diese Mischungen werden dann auf eine transparente leitfähige Elektrode mit einer Dicke von 60 bis 120 nm aufgeschleudert. Diese leitenden Elektroden sind üblicherweise Glas, das mit Indium-Zinn-Oxid (ITO) und einer 40 nm Unterschicht aus Poly (3,4-ethylendioxythiophen) (PEDOT) und Poly (styrolsulfonat) (PSS) bedeckt ist. PEDOT und PSS helfen dabei, die ITO-Oberfläche zu glätten, die Dichte von Nadellöchern zu verringern und Stromlecks zu dämpfen, die entlang von Rangierwegen auftreten. Durch thermische Verdampfung oder Sputterbeschichtung wird dann eine 20 bis 70 nm dicke Schicht aus Aluminium und manchmal eine Zwischenschicht aus Lithiumfluorid auf das photoaktive Material aufgebracht. Mehrere Forschungsstudien mit sowohl mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren (MWCNTs) als auch einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren (SWCNTs), die in das photoaktive Material integriert sind, wurden abgeschlossen.
Im Photostrom wurden Verbesserungen von mehr als zwei Größenordnungen beobachtet, wenn SWCNTs zur P3OT-Matrix hinzugefügt wurden. Es wurde spekuliert, dass Verbesserungen auf eine Ladungstrennung an Polymer-SWCNT-Verbindungen und einen effizienteren Elektronentransport durch die SWCNTs zurückzuführen sind. Jedoch wurde eine ziemlich niedrige Leistungsumwandlungseffizienz von 0,04% bei einer weißen Beleuchtung von 100 mW / cm² für die Vorrichtung beobachtet, was eine unvollständige Exzitonendissoziation bei niedrigen CNT-Konzentrationen von 1,0 Gew .-% nahelegt. Da die Längen der SWCNTs der Dicke von photovoltaischen Filmen ähnlich waren, wurde angenommen, dass das Dotieren eines höheren Prozentsatzes an SWCNTs in die Polymermatrix Kurzschlüsse verursacht. Um zusätzliche Dissoziationsstellen zu liefern, haben andere Forscher funktionalisierte MWCNTs physikalisch in P3HT-Polymer gemischt, um eine P3HT-MWCNT mit Fulleren-C60-Doppelschichtvorrichtung zu erzeugen. Jedoch war die Leistungseffizienz bei einer weißen Beleuchtung von 100 mW / cm² bei 0,01% noch relativ niedrig. Eine schwache Exzitonendiffusion in Richtung der Donor-Akzeptor-Grenzfläche in der Doppelschichtstruktur könnte der Grund dafür sein, dass zusätzlich zur Fulleren-C60-Schicht möglicherweise ein schlechter Elektronentransport auftritt.
Kürzlich wurde eine polymere photovoltaische Vorrichtung aus C60-modifizierten SWCNTs und P3HT hergestellt. Die Mikrowellenbestrahlung einer Mischung aus wässriger SWCNT-Lösung und C60-Lösung in Toluol war der erste Schritt bei der Herstellung dieser Polymer-SWCNT-Verbundstoffe. Konjugiertes Polymer P3HT wurde dann hinzugefügt, was zu einer Energieumwandlungseffizienz von 0,57% unter simulierter Sonnenbestrahlung (95 mW / cm²) führte. Es wurde gefolgert, dass eine verbesserte Kurzschlussstromdichte ein direktes Ergebnis der Zugabe von SWCNTs in das Komposit ist, was einen schnelleren Elektronentransport über das Netzwerk von SWCNTs bewirkt. Es wurde auch festgestellt, dass die Morphologieänderung zu einem verbesserten Füllfaktor führte. Insgesamt war das Hauptergebnis eine verbesserte Leistungsumwandlungseffizienz mit der Hinzufügung von SWCNTs im Vergleich zu Zellen ohne SWCNTs; Es wurde jedoch eine weitere Optimierung für möglich gehalten.
Zusätzlich wurde gefunden, dass ein Erhitzen auf den Punkt über die Glasübergangstemperatur von entweder P3HT oder P3OT nach dem Aufbau vorteilhaft sein kann, um die Phasentrennung der Mischung zu manipulieren. Dieses Erhitzen beeinflusst auch die Anordnung der Polymerketten, da die Polymere mikrokristalline Systeme sind und es den Ladungstransfer, den Ladungstransport und die Ladungssammlung in der gesamten OPV-Vorrichtung verbessert. Die Lochmobilität und die Leistungseffizienz der Polymer-CNT-Vorrichtung nahmen als Folge dieser Reihenfolge ebenfalls signifikant zu.
Als ein weiterer wertvoller Ansatz für die Abscheidung ist auch die Verwendung von Tetraoctylammoniumbromid in Tetrahydrofuran Gegenstand der Untersuchung, um die Suspension zu unterstützen, indem SWCNTs einem elektrophoretischen Feld ausgesetzt werden. Tatsächlich wurden Photokonversionseffizienzen von 1,5% und 1,3% erreicht, wenn SWCNTs in Kombination mit Lichtsammel-Cadmiumsulfid (CdS) – Quantenpunkten und Porphyrinen abgeschieden wurden.
Zu den besten bisher unter Verwendung von CNTs erzielten Energieumwandlungen wurden die Ablagerung einer SWCNT – Schicht zwischen dem ITO und dem PEDOT: PSS oder zwischen dem PEDOT: PSS und der photoaktiven Mischung in einem modifizierten ITO / PEDOT: PSS / P3HT: (6,6 ) -Phenyl-C61-Buttersäuremethylester (PCBM) / Al-Solarzelle. Durch Tauchbeschichtung aus einer hydrophilen Suspension wurde SWCNT abgeschieden, nachdem die Oberfläche anfänglich einem Argonplasma ausgesetzt wurde, um eine Leistungsumwandlungseffizienz von 4,9% zu erzielen, verglichen mit 4% ohne CNTs.
Obwohl CNTs Potential in der photoaktiven Schicht gezeigt haben, haben sie jedoch nicht zu einer Solarzelle mit einer Energieumwandlungseffizienz geführt, die größer ist als die der besten organischen Tandemzellen (6,5% Effizienz). Es wurde jedoch in den meisten früheren Untersuchungen gezeigt, dass die Kontrolle über eine einheitliche Mischung des Elektronendonor-konjugierten Polymers und der Elektronenakzeptor-CNT einer der schwierigsten und wichtigsten Aspekte bei der Erzeugung einer effizienten Photostromsammlung auf CNT-Basis ist OPV-Geräte. Daher befindet sich die Verwendung von CNTs in der photoaktiven Schicht von OPV-Geräten noch in der Anfangsphase der Forschung, und es gibt immer noch Raum für neue Methoden, um die vorteilhaften Eigenschaften von CNTs besser zu nutzen.
Ein Problem bei der Verwendung von SWCNTs für die photoaktive Schicht von PV-Vorrichtungen ist die gemischte Reinheit bei der Synthese (etwa 1/3 metallisch und 2/3 halbleitend). Metallische SWCNTs (m-SWCNTs) können eine Exziton-Rekombination zwischen den Elektronen- und Lochpaaren verursachen, und der Übergang zwischen metallischen und halbleitenden SWCNTs (s-SWCNTs) bildet Schottky-Barrieren, die die Lochübertragungswahrscheinlichkeit reduzieren. Die Diskrepanz in der elektronischen Struktur von synthetisierten CNTs erfordert eine elektronische Sortierung, um die m-SWCNTs zu trennen und zu entfernen, um die Halbleiterleistung zu optimieren. Dies kann durch den Durchmesser und die elektronische Sortierung von CNTs durch einen Dichtegradienten-Ultrazentrifugationsprozess (DGU-Prozess) erreicht werden, der einen Gradienten von Tensiden beinhaltet, die die CNTs durch Durchmesser, Chiralität und elektronischen Typ trennen können. Dieses Sortierverfahren ermöglicht die Trennung von m-SWCNTs und die präzise Sammlung von multiplen Chiralitäten von s-SWCNTs, wobei jede Chiralität eine einzigartige Wellenlänge des Lichts absorbieren kann. Die multiplen Chiralitäten von s-SWCNTs werden als Lochtransportmaterial zusammen mit der Fullerenkomponente PC71BM verwendet, um Heteroübergänge für die aktive PV-Schicht herzustellen. Die polychiralen s-SWCNTs ermöglichen eine breite optische Absorption von sichtbarem bis nahem Infrarotlicht (NIR) und erhöhen den Photostrom im Vergleich zur Verwendung von Nanoröhren mit einer einzigen Chiralität. Um die Lichtabsorption zu maximieren, wurde die invertierte Vorrichtungsstruktur mit einer Zinkoxid-Nanodrahtschicht verwendet, die die aktive Schicht durchdringt, um die Sammellänge zu minimieren. Molybdänoxid (MoOx) wurde als Lochtransportschicht mit hoher Austrittsarbeit verwendet, um die Spannung zu maximieren.
Zellen, die mit dieser Architektur hergestellt wurden, haben Rekord-Leistungsumwandlungseffizienzen von 3,1% erreicht, höher als bei allen anderen Solarzellenmaterialien, die CNTs in der aktiven Schicht verwenden. Dieses Design hat auch eine außergewöhnliche Stabilität, wobei die PCE über einen Zeitraum von 30 Tagen bei etwa 90% verbleibt. Die außerordentliche chemische Stabilität von Kohlenstoff-Nanomaterialien ermöglicht eine ausgezeichnete Umweltstabilität im Vergleich zu der meisten organischen Photovoltaik, die eingekapselt werden muss, um den Abbau zu reduzieren.
Relativ zu den besten Polymer-Fulleren-Heterojunction-Solarzellen, die PCEs von etwa 10% haben, sind polychirale Nanoröhren- und Fulleren-Solarzellen noch weit entfernt. Nichtsdestotrotz treiben diese Ergebnisse die erreichbaren Grenzen der CNT-Technologie in Solarzellen voran. Die Fähigkeit von polychiralen Nanoröhren, im NIR-Bereich zu absorbieren, ist eine Technologie, die genutzt werden kann, um die Effizienz zukünftiger Tandemsolarzellen mit mehreren Übergängen zu verbessern und die Lebensdauer und Haltbarkeit zukünftiger nichtkristalliner Solarzellen zu erhöhen.
Kohlenstoff-Nanoröhrchen als transparente Elektrode
ITO ist derzeit das beliebteste Material für die transparenten Elektroden in OPV-Geräten; Es hat jedoch eine Reihe von Mängeln. Zum einen ist es aufgrund seiner hohen Abscheidungstemperatur von etwa 600 ° C nicht sehr kompatibel mit polymeren Substraten. Traditionelles ITO weist auch ungünstige mechanische Eigenschaften auf, wie z. B. relativ zerbrechlich zu sein. Außerdem führt die Kombination von kostspieliger Schichtabscheidung im Vakuum und einer begrenzten Indiumzufuhr dazu, daß transparente ITO-Elektroden hoher Qualität sehr teuer sind. Daher ist die Entwicklung und Kommerzialisierung eines ITO-Ersatzes ein Schwerpunkt der Forschung und Entwicklung von OPV.
Leitfähige CNT-Beschichtungen sind in letzter Zeit zu einem prospektiven Ersatz geworden, basierend auf einer breiten Palette von Verfahren, einschließlich Sprühen, Schleuderbeschichtung, Gießen, Schicht für Schicht und Langmuir-Blodgett-Abscheidung. Die Übertragung von einer Filtermembran auf den transparenten Träger unter Verwendung eines Lösungsmittels oder in Form eines Klebefilms ist ein anderes Verfahren, um flexible und optisch transparente CNT-Filme zu erhalten. Andere Forschungsanstrengungen haben gezeigt, dass Filme aus Lichtbogenentladungs-CNT zu einer hohen Leitfähigkeit und Transparenz führen können. Darüber hinaus liegt die Austrittsarbeit von SWCNT-Netzwerken im Bereich von 4.8 bis 4.9 eV (verglichen mit ITO mit einer niedrigeren Austrittsarbeit von 4.7 eV), was zu der Erwartung führt, dass die SWCNT-Austrittsarbeit hoch genug sein sollte. Ein weiterer Vorteil ist, dass SWCNT-Filme eine hohe optische Transparenz in einem breiten Spektralbereich vom UV-sichtbaren bis zum nahen Infrarotbereich aufweisen. Nur wenige Materialien behalten eine angemessene Transparenz im Infrarotspektrum bei, während Transparenz im sichtbaren Teil des Spektrums sowie eine akzeptable Gesamtleitfähigkeit aufrechterhalten werden. SWCNT-Folien sind hochflexibel, kriechen nicht, knacken nicht nach dem Biegen, haben theoretisch hohe Wärmeleitfähigkeiten, um eine Wärmeableitung zu tolerieren, und weisen eine hohe Strahlungsresistenz auf. Der elektrische Flächenwiderstand von ITO ist jedoch um eine Größenordnung geringer als der für SWCNT-Folien gemessene Flächenwiderstand. Nichtsdestoweniger zeigen erste Forschungsstudien, dass SWCNT-Dünnschichten als leitende transparente Elektroden für die Lochsammlung in OPV-Geräten mit Wirkungsgraden zwischen 1% und 2,5% verwendet werden können, was bestätigt, dass sie mit unter Verwendung von ITO hergestellten Vorrichtungen vergleichbar sind. Daher gibt es Möglichkeiten, diese Forschung voranzutreiben, um transparente Elektroden auf CNT-Basis zu entwickeln, die die Leistung herkömmlicher ITO-Materialien übertreffen.
CNTs in farbstoffsensibilisierten Solarzellen
Aufgrund des einfachen Herstellungsprozesses, niedriger Produktionskosten und hoher Effizienz besteht ein signifikantes Interesse an Farbstoff-sensibilisierten Solarzellen (DSSCs). Daher war die Verbesserung der DSSC-Effizienz Gegenstand einer Vielzahl von Forschungsuntersuchungen, da es das Potenzial hat, wirtschaftlich genug hergestellt zu werden, um mit anderen Solarzellen-Technologien konkurrieren zu können. Titandioxid-Nanopartikel wurden weit verbreitet als Arbeitselektrode für DSSCs verwendet, da sie eine höhere Effizienz als jeder andere untersuchte Metalloxidhalbleiter bereitstellen. Die höchste Umwandlungseffizienz unter Luftmassenstrahlung (AM) von 1,5 (100 mW / cm²), die für dieses Gerät bisher berichtet wurde, beträgt ungefähr 11%. Trotz dieses anfänglichen Erfolges hat die Bemühung, die Effizienz weiter zu steigern, keine wesentlichen Ergebnisse gezeitigt. Der Transport von Elektronen über das Teilchennetzwerk war ein Schlüsselproblem beim Erreichen einer höheren Photokonversionseffizienz in nanostrukturierten Elektroden. Da Elektronen während des Übergangs viele Korngrenzen treffen und einen zufälligen Weg erfahren, ist die Wahrscheinlichkeit ihrer Rekombination mit oxidiertem Sensibilisator erhöht. Daher ist es nicht ausreichend, den Oxidelektrodenoberflächenbereich zu vergrßern, um die Effizienz zu erhöhen, da eine photoerzeugte Ladungsrekombination verhindert werden sollte. Die Förderung des Elektronentransfers durch Filmelektroden und das Blockieren von Grenzflächenzuständen, die unterhalb der Kante des Leitungsbandes liegen, sind einige der nicht-CNT-basierten Strategien zur Steigerung der Effizienz, die verwendet wurden.
Mit den jüngsten Fortschritten in der CNT-Entwicklung und -Fertigung ist es vielversprechend, verschiedene CNT-basierte Nanokomposite und Nanostrukturen zu verwenden, um den Fluss von photogenerierten Elektronen zu steuern und die Ladungsinjektion und -extraktion zu unterstützen. Um den Elektronentransport zu der Sammelelektrodenoberfläche in einem DSSC zu unterstützen, besteht ein verbreitetes Konzept darin, CNT-Netzwerke als Träger zu verwenden, um lichterzeugende Halbleiterteilchen zu verankern. Die Forschungsbemühungen in dieser Richtung umfassen die Organisation von CdS-Quantenpunkten auf SWCNTs. Ladungsinjektion von angeregten CdS in SWCNTs wurde bei Anregung von CdS-Nanopartikeln dokumentiert. Andere Arten von Halbleiterteilchen, einschließlich CdSe und CdTe, können Ladungsübertragungsprozesse unter Bestrahlung mit sichtbarem Licht induzieren, wenn sie an CNTs angebracht sind. Unter Einbeziehung von Porphyrin und C60-Fulleren wurde gezeigt, dass die Organisation von photoaktivem Donorpolymer und Akzeptorfulleren auf Elektrodenoberflächen eine beträchtliche Verbesserung der Photoumwandlungseffizienz von Solarzellen bietet. Daher besteht die Möglichkeit, den Elektronentransport zu erleichtern und die Photokonversionseffizienz von DSSCs zu erhöhen, indem die Elektronenakzeptorfähigkeit von halbleitenden SWCNTs genutzt wird.
Andere Forscher stellten DSSCs unter Verwendung der Sol-Gel-Methode her, um mit Titandioxid beschichtete MWCNTs zur Verwendung als eine Elektrode zu erhalten. Da makellose MWCNTs eine hydrophobe Oberfläche und eine schlechte Dispersionsstabilität aufweisen, war für diese Anwendung eine Vorbehandlung notwendig. Eine Methode zur Entfernung von Verunreinigungen mit relativ geringer Zerstörungsrate, die H2O2-Behandlung, wurde verwendet, um Carbonsäuregruppen durch Oxidation von MWCNTs zu erzeugen. Ein weiterer positiver Aspekt war die Tatsache, dass die Reaktionsgase CO2 und H2O nicht toxisch waren und während des Oxidationsprozesses sicher freigesetzt werden konnten. Als Ergebnis der Behandlung haben H2O2-exponierte MWCNTs eine hydrophile Oberfläche und die Carbonsäuregruppen auf der Oberfläche haben eine polare kovalente Bindung. Auch die negativ geladene Oberfläche der MWCNTs verbesserte die Stabilität der Dispersion. Indem die MWCNTs dann vollständig mit Titandioxid-Nanopartikeln unter Verwendung des Sol-Gel-Verfahrens umgeben wurden, wurde eine Erhöhung der Umwandlungseffizienz von etwa 50% im Vergleich zu einer herkömmlichen Titandioxidzelle erreicht. Es wurde geschlossen, dass die erhöhte Interkonnektivität zwischen den Titandioxidteilchen und den MWCNTs in dem porösen Titandioxidfilm der Grund für die Verbesserung der Kurzschlussstromdichte ist. Auch hier wurde angenommen, dass die Zugabe von MWCNTs einen effizienteren Elektronentransfer durch den Film im DSSC ermöglicht.
Ein Problem bei der Verwendung von SWCNTs für die photoaktive Schicht von PV-Vorrichtungen ist die gemischte Reinheit bei der Synthese (etwa 1/3 metallisch und 2/3 halbleitend). Metallische SWCNTs (m-SWCNTs) können eine Exziton-Rekombination zwischen den Elektronen- und Lochpaaren verursachen, und der Übergang zwischen metallischen und halbleitenden SWCNTs (s-SWCNTs) bildet Schottky-Barrieren, die die Lochübertragungswahrscheinlichkeit reduzieren. Die Diskrepanz in der elektronischen Struktur von synthetisierten CNTs erfordert eine elektronische Sortierung, um die m-SWCNTs zu trennen und zu entfernen, um die Halbleiterleistung zu optimieren. Dies kann durch den Durchmesser und die elektronische Sortierung von CNTs durch einen Dichtegradienten-Ultrazentrifugationsprozess (DGU-Prozess) erreicht werden, der einen Gradienten von Tensiden beinhaltet, die die CNTs durch Durchmesser, Chiralität und elektronischen Typ trennen können. Dieses Sortierverfahren ermöglicht die Trennung von m-SWCNTs und die präzise Sammlung von multiplen Chiralitäten von s-SWCNTs, wobei jede Chiralität eine einzigartige Wellenlänge des Lichts absorbieren kann. Die multiplen Chiralitäten von s-SWCNTs werden als Lochtransportmaterial zusammen mit der Fullerenkomponente PC71BM verwendet, um Heteroübergänge für die aktive PV-Schicht herzustellen. Die polychiralen s-SWCNTs ermöglichen eine breite optische Absorption von sichtbarem bis nahem Infrarotlicht (NIR) und erhöhen den Photostrom im Vergleich zur Verwendung von Nanoröhren mit einer einzigen Chiralität. Um die Lichtabsorption zu maximieren, wurde die invertierte Vorrichtungsstruktur mit einer Zinkoxid-Nanodrahtschicht verwendet, die die aktive Schicht durchdringt, um die Sammellänge zu minimieren. Molybdänoxid (MoOx) wurde als Lochtransportschicht mit hoher Austrittsarbeit verwendet, um die Spannung zu maximieren.
Zellen, die mit dieser Architektur hergestellt wurden, haben Rekord-Leistungsumwandlungseffizienzen von 3,1% erreicht, höher als bei allen anderen Solarzellenmaterialien, die CNTs in der aktiven Schicht verwenden. Dieses Design hat auch eine außergewöhnliche Stabilität, wobei die PCE über einen Zeitraum von 30 Tagen bei etwa 90% verbleibt. Die außerordentliche chemische Stabilität von Kohlenstoff-Nanomaterialien ermöglicht eine ausgezeichnete Umweltstabilität im Vergleich zu der meisten organischen Photovoltaik, die eingekapselt werden muss, um den Abbau zu reduzieren.
Relativ zu den besten Polymer-Fulleren-Heterojunction-Solarzellen, die PCEs von etwa 10% haben, sind polychirale Nanoröhren- und Fulleren-Solarzellen noch weit entfernt. Nichtsdestotrotz treiben diese Ergebnisse die erreichbaren Grenzen der CNT-Technologie in Solarzellen voran. Die Fähigkeit von polychiralen Nanoröhren, im NIR-Bereich zu absorbieren, ist eine Technologie, die genutzt werden kann, um die Effizienz zukünftiger Tandemsolarzellen mit mehreren Übergängen zu verbessern und die Lebensdauer und Haltbarkeit zukünftiger nichtkristalliner Solarzellen zu erhöhen.