Sursa: ossila.com
Îmbunătățirea rapidă a celulelor solare perovskite le-a transformat în steaua în creștere a lumii fotovoltaice și de interes deosebit pentru comunitatea academică. Din moment ce metodele lor operaționale sunt încă relativ noi, există o mare oportunitate pentru cercetări ulterioare în fizica de bază și chimie în jurul perovskites. Mai mult, așa cum sa arătat în ultimii ani - îmbunătățirea tehnică a formulelor perovskite și a rutinelor de fabricare a dus la creșteri semnificative ale eficienței de conversie a energiei electrice, în timp ce dispozitivele recente au ajuns la peste 23%, începând cu luna iunie 2018.
Ce sunt perovskiți?
De ce sunt celulele solare perovskite atât de semnificative?
Ce probleme se confruntă Perovskites?
Fabricarea și măsurarea celulelor solare perovskite
Viitorul lui Perovskites
Perovskite Fabrication Video Guide
Produse Ossila pentru celule solare perovskite
Referințe
Citirea în continuare
Ce sunt perovskiți?
Termenii "perovskite" și "structură perovskită" sunt adesea utilizați în mod interschimbabil. Din punct de vedere tehnic, un perovskit este un tip de mineral care a fost întâi găsit în Munții Urali și numit după Lev Perovski (care a fost fondatorul Societății Geografice din Rusia). O structură perovskită este orice compus care are aceeași structură ca și mineralul perovskit.
Perovskitul adevărat (mineralul) este compus din calciu, titan și oxigen sub formă de CaTiO 3 . Între timp, o structură perovskită este orice care are forma generică ABX 3 și aceeași structură cristalografică ca perovskitul (mineralul). Cu toate acestea, deoarece majoritatea oamenilor din lumea celulelor solare nu sunt implicați în minerale și geologie, perovskitul și structura perovskită sunt utilizate interschimbabil.
Aranjamentul de zăbrele perovskit este demonstrat mai jos. Ca și în multe structuri în cristalografie, ea poate fi reprezentată în mai multe moduri. Cea mai simplă modalitate de a gândi despre un perovskit este ca un cation atomic sau molecular mare (încărcat pozitiv) de tip A în centrul unui cub. Colțurile cubului sunt apoi ocupate de atomii B (de asemenea cationi încărcați pozitiv), iar fețele cubului sunt ocupate de un atom mai mic X cu încărcare negativă (anion).
O structură generică de cristal perovskit de formă ABX3. Rețineți că cele două structuri sunt echivalente - structura stânga este desenată astfel încât atomul B să fie în poziția <0,0,0> în timp ce structura din dreapta este trasată astfel încât atomul (sau molecula) A să fie la poziția < 0,0,0=""> poziție. De asemenea, rețineți că liniile sunt un ghid pentru a reprezenta orientarea cristalului, mai degrabă decât modelele de legare.
În funcție de atomii / moleculele utilizate în structură, perovskitul poate avea o gamă impresionantă de proprietăți interesante, inclusiv superconductivitatea, magnetorezistența gigantică, transportul dependent de spin (spintronica) și proprietățile catalitice. Astfel, perovskiții reprezintă un loc de joacă interesant pentru fizicieni, chimisti și oameni de știință.
Perovskites au fost utilizate cu succes cu succes în celulele solare solide în 2012, și de atunci cele mai multe celule au utilizat următoarea combinație de materiale în forma perovskită obișnuită ABX 3 :
A = Un cation organic - metilamoniu (CH3NH3 + ) sau formamidiniu (NH2CHNH2 + )
B = un mare cation anorganic - de obicei plumb (II) (Pb 2+ )
X3 = Un anion de halogen puțin mai mic - de obicei, clorură (Cl - ) sau iodură (I - )
Deoarece aceasta este o structură relativ generală, aceste dispozitive bazate pe perovskite pot fi, de asemenea, date unui număr de nume diferite, care se pot referi fie la o clasă de materiale mai generală, fie la o combinație specifică. Ca exemplu, am creat tabelul de mai jos pentru a evidenția câte nume pot fi formate dintr-o structură de bază.
A | B | X 3 |
organo | Metal | Trihalid (sau trihalid) |
metilamoniu | Conduce | Iodură (sau triiodid) |
Plumbate | Clorura (sau triclorura) |
Masa perovskite "picking name" : Alegeți un singur element din coloanele A, B sau X 3 pentru a veni cu un nume valid. Exemplele includ: cloruri organo-plumb, cloruri de metilamoniu-metal-trihalide, ioduri organo-plumbate etc.
Tabelul demonstrează cât de vastă este spațiul parametrilor pentru combinațiile potențiale de materiale / structuri, deoarece există multe alte atomi / molecule care ar putea fi înlocuite pentru fiecare coloană. Alegerea combinațiilor de materiale va fi crucială pentru determinarea atât a proprietăților optice, cât și a celor electronice (de exemplu, spectrul de bandgap și spectrele de absorbție corespunzătoare, mobilitatea, lungimile de difuzare etc.). O optimizare simplă a forței brute prin screeningul combinatorial în laborator este probabil foarte ineficientă în găsirea unor structuri perovskite bune.
Majoritatea perovskitelor eficiente se bazează pe halogenuri metalice din grupa IV (în mod specific, plumb), iar deplasarea dincolo de acest lucru sa dovedit a fi o provocare. Este probabil ca mai multe cunoștințe aprofundate decât cele disponibile în prezent să fie necesare pentru a explora pe deplin gama de posibile structuri perovskite. Plăcile solare pe bază de perovskit pe bază de plumb sunt deosebit de bune datorită unei serii de factori, incluzând o absorbție puternică în regimul vizibil, lungimi lungi de difuzie a încărcăturii, un decalaj de bandă ajustabil și o fabricare ușoară (datorită toleranței ridicate la defecte și capacitatea de procesare la temperaturi scăzute).
De ce sunt celulele solare perovskite atât de semnificative?
Există două grafice-cheie care demonstrează de ce celulele solare perovskite au atras o astfel de atenție proeminentă în perioada scurtă din 2012. Primul dintre aceste grafice (care utilizează datele preluate din diagrama de eficiență a celulelor solare NREL) 1 demonstrează eficiența conversiei de putere a perovskitei pe parcursul ultimilor ani, în comparație cu tehnologia de cercetare fotovoltaică emergentă, precum și fotovoltaicii tradiționali de film subțire.
Graficul arată o creștere meteorică comparativ cu cele mai multe tehnologii într-o perioadă relativ scurtă de timp. În termen de 4 ani de la descoperirea lor, celulele solare perovskite au egalat eficiența cadmiu telluride (CdTe), care a fost în jur de peste 40 de ani. În plus, începând cu iunie 2018, au depășit toate celelalte tehnologii subțiri, non-concentrate, inclusiv CdTe și Indium Gallium Selenide (CIGS). Deși ar putea fi susținut că în ultimii ani au fost disponibile mai multe resurse și o infrastructură mai bună pentru cercetarea celulelor solare, creșterea dramatică a eficienței celulelor solare perovskite este încă incredibil de semnificativă și impresionantă.
Celulele solare perovskite au crescut în eficiența conversiei de energie la o rată fenomenală în comparație cu alte tipuri de fotovoltaice. Deși această cifră reprezintă doar "celule de eroi" bazate pe laborator, ea promite o mare promisiune.
Al doilea grafic cheie de mai jos este tensiunea de circuit deschis în comparație cu decalajul de bandă pentru o serie de tehnologii care concurează împotriva perovskitelor. Acest grafic demonstrează cât de mult din energia fotonului este pierdută în procesul de conversie de la lumină la electricitate. Pentru celulele solare standard bazate pe exciton, această pierdere poate fi de până la 50% din energia absorbită, în timp ce celulele solare perovskite depășesc în mod regulat 70% din utilizarea energiei fotonice și au potențialul de a crește și mai mult. 4
Aceasta se apropie de valorile tehnologiilor de ultima ora (cum ar fi GaAs), dar la un cost semnificativ mai mic. Celulele solare de siliciu cristalin, probabil cel mai apropiat comparator al perovskitelor în ceea ce privește eficiența și costul, sunt deja de până la 1000 de ori mai ieftine decât cele de ultimă generație. 5 Perovskiți au potențialul de a deveni chiar mai ieftin decât acesta.
Utilizarea maximă a energiei fotonice (definită ca tensiunea de circuit deschisă Voc împărțită de gama optică de bandă Eg) pentru sistemele obișnuite de materiale cu celule solare cu joncțiune. Se calculează din celule de ultimă generație detaliate în tabelele de eficiență ale NREL.
Ce probleme se confruntă Perovskites?
Cea mai mare problemă în domeniul perovskites este în prezent instabilitatea pe termen lung. Acest lucru a fost demonstrat datorită căilor de degradare care implică factori externi, cum ar fi apa, lumina și oxigenul, și, de asemenea, ca urmare a instabilității intrinseci, cum ar fi degradarea la încălzire, datorită proprietăților materialului. Pentru o prezentare generală a cauzelor degradării perovskite, consultați ghidul lui Ossila.
Au fost propuse mai multe strategii pentru a îmbunătăți stabilitatea, cu cel mai mare succes schimbând alegerea componentelor. Utilizarea sistemelor mixte de cationi (de exemplu, prin includerea cationilor anorganici cum ar fi rubidiu sau cesiu) sa dovedit a îmbunătăți stabilitatea și eficiența. Primele celule perovskite care depășesc eficiența de 20% au folosit un sistem de cationi organic mixt, și multe dintre cele mai eficiente sisteme publicate recent utilizează componente anorganice. Deplasarea către straturile interfațiale stabile hidrofobe, stabile, de asemenea, a îmbunătățit stabilitatea - de exemplu prin înlocuirea TiO2 , care este susceptibilă la degradarea UV, cu SnO 2 Stabilitatea a fost de asemenea îmbunătățită prin utilizarea pasivării suprafeței și prin combinarea perovskitelor 2D-layered (Ruddlesden-Popper) (care prezintă o stabilitate intrinsecă mai bună, dar performanță mai slabă) cu perovskitele 3D convenționale. Aceste eforturi (împreună cu factori precum încapsularea mai bună) au imbunatatit considerabil stabilitatea perovskites de la introducerea lor initiala si durata de viata este pe drumul lor spre indeplinirea standardelor industriale - cu lucrarile recente care arata celule capabile sa reziste la un test de caldura umeda de 1000 de ore. Pentru o discuție mai aprofundată a metodelor de îmbunătățire a stabilității perovskite , vezi ghidul lui Ossila.
Perovskitul 3D convențional (stânga), comparativ cu o structură generică perovskită 2D (dreapta).
O altă problemă care trebuie abordată pe deplin este utilizarea plumbului în compușii perovskiți. Deși se utilizează în cantități mult mai mici decât cele prezente în bateriile cu plumb sau cu cadmiu, prezența plumbului în produse pentru uz comercial este problematică. Sunt încă preocupări legate de expunerea la compuși toxici de plumb (prin leșierea perovskitei în mediu), iar unele studii au sugerat că implementarea pe scară largă a perovskites ar necesita o izolare completă a produselor de degradare. În schimb, alte evaluări ale ciclului de viață au constatat că impactul toxic al plumbului este neglijabil în comparație cu alte materiale din celulă (cum ar fi catodul).
Există, de asemenea, un potențial pentru o alternativă de plumb care să fie utilizată în celulele solare perovskite (cum ar fi perovskitul pe bază de staniu), dar eficiența conversiei de putere a unor astfel de dispozitive este încă în mod semnificativ în spatele dispozitivelor bazate pe plumb, înregistrând un perovskit pe bază de staniu în prezent, la 9,0%. Unele studii au concluzionat, de asemenea, că staniu poate avea de fapt o toxicitate mai mare pentru mediu decât plumbul, și alte alternative mai puțin toxice sunt necesare.
O altă problemă majoră în ceea ce privește performanța este histerezisul curent de tensiune frecvent observat în dispozitive. Factorii care influențează histerezisul sunt încă în dezbatere, dar se atribuie cel mai frecvent migrației ionice mobile în combinație cu niveluri ridicate de recombinare. Metodele de reducere a histerezisului includ arhitectura celulară variată, pasivarea suprafeței și conținutul în iodură de plumb în creștere, precum și strategii generale de reducere a recombinării.
O aproximație a histerezisului de tensiune curent întâlnită adesea în celulele solare perovskite.
Pentru a permite o cu adevărat scăzută cost-pe-watt, celulele solare perovskite trebuie să fi realizat trioul cu multă atenție de înaltă eficiență, durate lungi de viață și costuri scăzute de fabricație. Acest lucru nu a fost încă atins pentru alte tehnologii subțiri, însă dispozitivele bazate pe perovskite demonstrează în prezent un potențial enorm pentru realizarea acestui obiectiv.
Fabricarea și măsurarea celulelor solare perovskite
Deși perovskitele provin dintr-o lume aparent diferită de cristalografie, ele pot fi incorporate foarte ușor într-o arhitectură standard OPV (sau alte filme subțiri). Primele celule solare perovskite s-au bazat pe celule solare sensibile la vopsele în stare solidă (DSSCs) și au folosit astfel un schelet mezoporos TiO 2 . Multe celule de când au urmat acest șablon sau au folosit o schemă de Al2O3 într-o arhitectură "mezo-superstructurată", dar etapele de temperatură ridicată necesare pentru fabricare și instabilitatea UV a TiO 2 au dus la introducerea unei arhitecturi "planare" similare la alte celule subțiri. După câțiva ani de întârziere în spatele celulelor mezoporoși în termeni de eficiență, perovskitul planar este acum aproape la fel de eficient.
Structuri generice ale celulelor perovskite plană și mezoporoasă convenționale / inversate.
Filmul perovskit propriu-zis este prelucrat în mod obișnuit prin metode de vid sau de soluție. Calitatea filmului este foarte importantă. Inițial, filmele depuse în vid au dat cele mai bune dispozitive, dar acest proces necesită co-evaporarea componentei organice (metilamoniu) în același timp cu componentele anorganice (halogenură de plumb), necesitând camere specializate de evaporare care nu sunt disponibile pentru mulți cercetători . Ca rezultat, s-au înregistrat eforturi semnificative în îmbunătățirea dispozitivelor prelucrate prin soluții, deoarece acestea sunt mai simple și permit prelucrarea la temperaturi scăzute, iar acum ele sunt egale cu celule depuse în vid în termeni de eficiență.
În mod obișnuit, stratul activ al unei celule solare perovskite este depozitat fie printr-un proces cu una, fie cu două etape. În procedeul într-o singură etapă, este acoperită o soluție precursor (cum ar fi un amestec de CH3NH3I și PbI2) care apoi se transformă în peliculă perovskită după încălzire. O variantă în acest sens este metoda "antisolvent", în care soluția precursor este acoperită într-un solvent polar și apoi stinsă în timpul procesului de acoperire prin centrifugare cu un solvent nepolar. Sunt necesare precizări ale timpului de răcire și ale volumului de solvenți de stingere pentru a da performanțe optime. Pentru a ajuta la acest lucru, am construit pompa de seringă Ossila , care ne-a permis să folosim acest proces de stingere pentru a împinge valorile eficienței de conversie a energiei electrice de peste 16%.
În procedeul în două etape, halogenura metalică (cum ar fi PbI2) și componentele organice (cum ar fi CH3NH3I) sunt acoperite cu spin în filme separate, ulterioare. În mod alternativ, filmele cu halogenură metalică pot fi acoperite și recuperate într-o cameră plină cu vapori de componente organice, cunoscut sub denumirea de "proces de soluție asistată de vid" (VASP).
O aproximare a metodei de răcire anti-solvent utilizată adesea pentru a acoperi perovskitele într-un proces dintr-o etapă dintr-o soluție precursor.
Cele mai multe perovskite de ultimă generație se bazează pe o structură transparentă de oxidare / ETL / Perovskite / HTL / metal, în cazul în care ETL și HTL se referă la straturile de transport de electroni și, respectiv, de transport al găurilor. Straturile tipice de transport ale gaurilor includ Spiro-OMeTAD sau PEDOT: PSS , iar straturile de transport electronice tipice includ TiO2 sau SnO2. Înțelegerea și optimizarea nivelurilor energetice și a interacțiunilor diferitelor materiale la aceste interfețe oferă o zonă de cercetare foarte interesantă, care este încă în discuție.
Principalele aspecte legate de fabricarea dispozitivelor practice cu celule perovskite sunt calitatea și grosimea filmului. Stratul de perovskită cu efect de recoltare a luminii (activ) trebuie să aibă o grosime de câteva sute de nanometri - de câteva ori mai mult decât pentru fotovoltaicele organice standard și crearea unor astfel de straturi groase cu o uniformitate ridicată poate fi dificilă. Cu excepția cazului în care condițiile de depunere și mărirea temperaturii de recoacere sunt optimizate, se vor forma suprafețe aspre cu acoperire incompletă. Chiar și cu o bună optimizare, va rămâne încă o rugozitate semnificativă a suprafeței. Prin urmare, sunt necesare și straturi mai groase de interfață decât cele care pot fi utilizate în mod normal. Îmbunătățirea calității filmului a fost realizată printr-o varietate de metode. O astfel de metodă este adăugarea unor cantități mici de acizi, cum ar fi acidul iodhidric sau bromhidric, discutat anterior într-un post despre puritatea solubilității MAI față de clorura de plumb sau a excesului de precursor de iodură de plumb.
Prin eforturi intense de cercetare, au fost obținute eficiențe de peste 22% prin utilizarea de strat de acoperire prin centrifugare , iar eficiența ridicată a fost realizată și prin alte tehnici de prelucrare a soluțiilor (cum ar fi acoperirea prin gaură ). Acest lucru sugerează că prelucrarea pe scară largă a soluțiilor perovskite este foarte fezabilă.
Viitorul lui Perovskites
Cercetarea viitoare a perovskites este probabil să se concentreze asupra reducerii recombinării prin strategii precum pasivarea și reducerea defectelor, precum și creșterea eficienței prin includerea perovskites 2D și a materialelor de interfață optimizate mai bine. Straturile de extracție a încărcăturii sunt susceptibile de a se deplasa de la materialele organice la cele anorganice, pentru a îmbunătăți eficiența și stabilitatea. Îmbunătățirea stabilității și reducerea impactului de plumb asupra mediului ar putea continua să fie și zone importante de interes.
În timp ce comercializarea celulelor solare perovskite independente se confruntă în continuare cu obstacole în ceea ce privește fabricarea și stabilitatea, utilizarea lor în celulele tandem c-Si / perovskite a progresat rapid (cu eficiență peste 25% realizată) și este probabil ca perovskites să vadă prima dată piața PV ca parte a acestei structuri. Dincolo de soare, există un potențial semnificativ de utilizare a perovskites în alte aplicații, cum ar fi diodele emise de lumină și amintiri rezistive.
Perovskite Fabrication Video Guide
Pentru cei care au început cercetarea perovskită, am realizat un ghid video care demonstrează întregul proces de fabricare și măsurare a fotovoltaicii perovskite. În laboratoarele proprii, am obținut eficiență de peste 11% utilizând această rutină specială de fabricare. Video de mai jos dispune de un model mai vechi, întrerupt de Ossila Spin Coater - pentru a vedea modelul curent, puteți vizita pagina produsului aici .
Produse Ossila pentru celule solare perovskite
Ossila, premiată cu platformă solară de prototipuri, furnizează o aplicație științifică exemplară și un impact asupra cercetării celulelor solare. Este o colecție coerentă de substraturi, materiale și echipamente de testare, ca parte a unei arhitecturi standard de referință fotovoltaice de înaltă performanță. Aceasta permite cercetătorilor să producă celule solare de înaltă calitate, funcționale pe deplin funcționale, care pot fi utilizate ca bază de referință fiabilă.
În calitate de cercetători și oameni de știință noi înșine, înțelegem cât de mult consumă timp pentru a obține expertiză asupra tuturor materialelor, proceselor și tehnicilor necesare pentru a produce un dispozitiv de înaltă calitate - și, în ciuda eforturilor dvs. cele mai bune, poate duce uneori la inconsecvență și non- - rezultate reproduse.
Am dezvoltat această platformă cu scopul de a vă permite să vă concentrați pe cercetarea dvs. (în loc să proiectați / achiziționați toate componentele proprii) și să reproduceți o bază de performanță. Un avantaj semnificativ al acestei platforme este furnizarea de substraturi ITO pre-modelate și echipamente de procesare cu capacitate mare de producție - care determină o creștere semnificativă a ratei de producție pentru dispozitivele cu celule solare - ajutând astfel la colectarea mai multor date, mult mai repede. Ca atare, pot fi testate mai multe tipuri de noi materiale sau variații de arhitectură și pot fi colectate mai multe date statistice - asigurarea coerenței și acurateței.
La nivelul cel mai de bază, cele mai multe celule solare bazate pe perovskite se bazează pe un substrat de sticlă acoperit cu oxid conductiv transparent, cu catod metalic evaporat și încapsulare top. Ca atare, infrastructura noastră substrată existentă și materialele perovskite sunt deja utilizate în dispozitive perovskite de mare performanță. Epoxidul nostru de încapsulare standard este, de asemenea, perfect potrivit pentru laminarea sticlei sau a altor straturi de barieră - așa cum este folosit în hârtia Snaith's Nature 2014.
Ossila Spin Coater este utilizat în mod obișnuit pentru depunerea interfeței și a straturilor active cu o precizie ridicată și o operare simplă.
Un partener foarte util pentru Spin Coater (prezentat mai sus) este pompa de seringă Ossila . Poate fi folosit pentru distribuirea automată și stingerea straturilor perovskite pentru a obține filme de înaltă calitate. Colegii noștri universitari au făcut, de asemenea, progrese deosebite în ceea ce privește celulele solare perovskite prelucrate în soluție, prin acoperirea prin pulverizare pe substraturile noastre standard. În plus, celulele solare perovskite sunt caracterizate utilizând sistemul de testare Ossila Solar Cell IV , care calculează automat valorile dispozitivelor și poate efectua măsurători de stabilitate.
I101 Cerneală perovskită disponibilă de la Ossila. Este ambalat în 10 flacoane individuale conținând 0,5 ml de soluție. Aceasta este capabilă să acopere până la 160 de substraturi. I101 se poate cumpăra și în vrac (30 ml), cu o reducere de 25% față de dimensiunile standard de comandă.
În ultimele luni, am colaborat cu colaboratorii noștri universitari pentru a aduce pe piață mai multe produse pe bază de perovskite, printre care: iodură de metilamoniu de mare puritate, bromură de metilamoniu , iodură de formamidină și bromură de formamidină. De asemenea, am lansat primul nostru set de cerneluri perovskite, primul dintre acestea fiind I101 (MAI: PbCl2), este conceput pentru a fi procesat în aer și a demonstrat eficiență în laboratoarele noastre de până la 11,7%. Cea de-a doua cerneală, I201 (MAI: PbCl 2 : PbI 2 ), este destinată prelucrării într-o atmosferă de azot, iar până acum am observat eficiență de până la 11,8%. Ambele cerneluri sunt proiectate pentru a ajuta clienții noștri să atingă eficiență ridicată incredibil de rapid atunci când începeți prima dată cu cercetarea perovskites. Avem rutine optimizate de procesare cu ambele cerneluri pentru a maximiza rezultatele.