Vir: ossila.com
Zaradi hitrega izboljšanja perovskitovih sončnih celic so postale zvezda v svetu fotovoltaike in veliko zanimanje za akademsko skupnost. Ker so njihove operativne metode še relativno nove, obstaja velika priložnost za nadaljnje raziskovanje osnovne fizike in kemije okrog perovskitov. Poleg tega, kot je bilo prikazano v zadnjih nekaj letih, so inženirske izboljšave perovskitnih formulacij in izdelave rutin privedle do znatnega povečanja učinkovitosti pretvorbe energije, pri čemer so nedavne naprave od junija 2018 dosegle več kot 23%.
Kaj so Perovskiti?
Zakaj so perovskite sončne celice tako pomembne?
Kakšne težave ima Perovskites Face?
Izdelava in merjenje perovskitnih sončnih celic
Prihodnost perovskitov
Perovskite Video Guide
Ossila izdelki za perovskite sončne celice
Reference
Nadaljnje branje
Kaj so Perovskiti?
Izraza "perovskit" in "perovskitska struktura" se pogosto uporabljata izmenično. Tehnično je perovskit vrsta minerala, ki je bila najprej najdena na Uralskem gorovju in poimenovana po Levu Perovskem (ki je bil ustanovitelj Ruskega geografskega društva). Struktura perovskita je vsaka spojina, ki ima enako strukturo kot perovskitni mineral.
Pravi perovskit (mineral) je sestavljen iz kalcija, titana in kisika v obliki CaTiO 3 . Medtem pa je struktura perovskita vse, kar ima generično obliko ABX 3 in isto kristalografsko strukturo kot perovskit (mineral). Ker pa se večina ljudi v svetu sončnih celic ne ukvarja z minerali in geologijo, se perovskit in perovskitna struktura uporabljata izmenično.
Ureditev perovskitne mreže je prikazana spodaj. Kot pri mnogih strukturah v kristalografiji, je lahko predstavljena na več načinov. Najenostavnejši način razmišljanja o perovskitu je velik atomski ali molekularni kation (pozitivno nabit) tipa A v središču kocke. Vogali kocke so nato zasedeni z atomi B (tudi pozitivno nabite katione), obrazi kocke pa z manjšim atomom X z negativnim nabojem (anion).
Splošna perovskitova kristalna struktura oblike ABX3. Upoštevajte, da sta obe strukturi enakovredni - leva struktura je narisana tako, da je atom B na položaju <0,0,0>, medtem ko je desna struktura narisana tako, da je atom (ali molekula) A na <> Upoštevajte tudi, da so črte vodilo, ki predstavlja kristalno orientacijo, ne pa vezne vzorce.
Glede na to, kateri atomi / molekule se uporabljajo v strukturi, lahko perovskiti imajo impresivno vrsto zanimivih lastnosti, vključno s superprevodnostjo, ogromno magnetoizpustnostjo, spin-odvisnim transportom (spintronik) in katalitičnimi lastnostmi. Perovskiti zato predstavljajo razburljivo igrišče za fizike, kemike in materialne znanstvenike.
Perovskiti so se najprej uspešno uporabili v trdnih solarnih celicah leta 2012, in od takrat je večina celic uporabila naslednjo kombinacijo materialov v običajni perovskitni obliki ABX 3 :
A = organski kation - metilamonij (CH3NH3 + ) ali formamidij (NH2CHNH2 + )
B = velik anorganski kation - običajno svinec (II) (Pb 2+ )
X 3 = Nekoliko manjši halogenski anion - običajno klorid (Cl - ) ali jodid (I - )
Ker gre za relativno splošno strukturo, lahko te perovskitne naprave dobijo tudi različna imena, ki se lahko nanašajo na splošnejši razred materialov ali na določeno kombinacijo. Kot primer tega smo ustvarili spodnjo tabelo, da bi poudarili, koliko imen lahko tvorimo iz ene osnovne strukture.
A | B | X 3 |
Organo | Kovina | Trihalid (ali trihalid) |
Metilamonij | Svinec | Jodid (ali trijodid) |
Plumbate | Klorid (ali triklorid) |
Tabela perovskite "name-picking" : Izberi kateri koli element iz stolpcev A, B ali X 3, da dobiš veljavno ime. Primeri vključujejo: organske kloride, metilamonijeve kovine, trihalide, organo-plumbate-jodide itd.
Tabela prikazuje, kako velik je prostor parametrov za potencialne kombinacije material / struktura, saj obstaja veliko drugih atomov / molekul, ki bi jih lahko zamenjali za vsak stolpec. Izbira kombinacij materialov bo ključnega pomena za določitev optičnih in elektronskih lastnosti (npr. Pasovni pas in sorazmerni absorpcijski spektri, mobilnost, dolžine difuzije itd.). Enostavna optimizacija s silo v kombinaciji z laboratorijskim testiranjem je verjetno zelo neučinkovita pri iskanju dobrih perovskitnih struktur.
Večina učinkovitih perovskitov temelji na kovinskih halidih IV. Skupine (zlasti na svinčevih), zato se je preseganje tega izkazalo za zahtevno. Verjetno je potrebno poglobljeno znanje, kot je trenutno na voljo, da bi v celoti raziskali obseg možnih perovskitnih struktur. Perovskitne sončne celice na osnovi svinca so še posebej dobre zaradi številnih dejavnikov, vključno z močno absorpcijo v vidnem režimu, dolgimi difuzijskimi dolžinami naboja-nosilca, prilagodljivo pasovno režo in enostavno izdelavo (zaradi velike tolerance napak in sposobnost obdelave pri nizkih temperaturah).
Zakaj so perovskite sončne celice tako pomembne?
Obstajata dva ključna grafa, ki prikazujeta, zakaj so perovskitne sončne celice v kratkem času od leta 2012 pritegnile tako pomembno pozornost. Prvi od teh grafov (ki uporablja podatke iz tabele učinkovitosti sončne celice NREL) 1 prikazuje učinkovitost pretvorbe energije perovskita v zadnjih letih, v primerjavi z nastajajočimi fotovoltaičnimi raziskovalnimi tehnologijami, in tradicionalnimi tankoplastnimi fotonapetostmi.
Graf prikazuje meteorski dvig v primerjavi z večino drugih tehnologij v razmeroma kratkem času. V štirih letih njihovega prodora so bile perovskitske sončne celice enakovredne učinkovitosti kadmijevega telurida (CdTe), ki obstaja že več kot 40 let. Poleg tega so od junija 2018 presegli vse druge tehnologije s tankim filmom in tehnologijo brez koncentriranja - vključno s CdTe in bakrovim indijevim galijevim selenidom (CIGS). Čeprav je mogoče trditi, da je v zadnjih nekaj letih na voljo več virov in boljša infrastruktura za sončne celice, je dramatično povečanje učinkovitosti sončnih celic perovskita še vedno neverjetno veliko in impresivno.
Perovskitove sončne celice so povečale učinkovitost pretvorbe električne energije na izjemni stopnji v primerjavi z drugimi vrstami fotovoltaike. Čeprav ta številka predstavlja le laboratorijske "herojske celice", napoveduje veliko obljubo.
Drugi ključni diagram spodaj je napetost odprtega kroga v primerjavi z razponom pasu za vrsto tehnologij, ki tekmujejo s perovskiti. Ta graf prikazuje, koliko energije fotona se izgubi v procesu pretvorbe iz svetlobe v elektriko. Za standardne organske sončne celice, ki temeljijo na eksitonski, lahko ta izguba doseže 50% absorbirane energije, medtem ko perovskitne sončne celice redno presegajo 70% izkoristek fotonske energije in imajo potencial, da se še povečajo. 4
To se približuje vrednotam najsodobnejših tehnologij (kot je GaAs), vendar po bistveno nižjih stroških. Sončne celice iz kristalnega silicija, ki so po učinkovitosti in stroških verjetno najbližje primerjalniku perovskitom, so že do 1000-krat cenejše od najsodobnejših GaAs. 5 Perovskiti imajo potencial, da postanejo še cenejši od tega.
Maksimalna poraba energije fotona (definirana kot napetost odprtega tokokroga Voc, deljena z optičnim pasom Eg) za skupne materialne sisteme solarne celice z enim priključkom. Izračunano iz najsodobnejših celic, opisanih v tabelah učinkovitosti NREL.
Kakšne težave ima Perovskites Face?
Trenutno je največje vprašanje na področju perovskitov dolgoročna nestabilnost. To se je pokazalo zaradi razgradnih poti, ki vključujejo zunanje dejavnike, kot so voda, svetloba in kisik, in tudi kot rezultat notranje nestabilnosti, kot je razgradnja ob segrevanju, zaradi lastnosti materiala. Za pregled vzrokov razgradnje perovskita glej Ossilin vodnik.
Predlaganih je bilo več strategij za izboljšanje stabilnosti, najbolj uspešno s spremembo izbire komponent. Izkazalo se je, da uporaba mešanih kationskih sistemov (na primer z vključevanjem anorganskih kationov, kot je rubidij ali cezij) izboljša stabilnost in učinkovitost. Prve perovskitne celice, ki presegajo 20-odstotno učinkovitost, so uporabljale mešani organski kationski sistem, in mnogi izmed sistemov z najvišjo učinkovitostjo, ki so bili nedavno objavljeni, uporabljajo anorganske sestavine. Gibanje proti hidrofobnim, UV-stabilnim slojem plasti je izboljšalo tudi stabilnost - na primer z zamenjavo TiO 2 , ki je dovzeten za razgradnjo UV, s stabilnostjo SnO 2 pa se je izboljšala tudi z uporabo površinske pasivacije in z združevanjem 2D-plastnih (Ruddlesden-Popper) perovskitov (ki kažejo boljšo notranjo stabilnost, vendar slabšo učinkovitost) s konvencionalnimi 3D perovskiti. Ta prizadevanja (skupaj z dejavniki, kot je boljša enkapsulacija) močno izboljšali stabilnost perovskitov od začetka njihove uvedbe, življenjske dobe pa so na dobri poti do izpolnjevanja industrijskih standardov - z nedavnim delom, ki kaže celice, ki lahko prenesejo 1000-urni preskus vlažne toplote. Za bolj poglobljeno razpravo o metodah za izboljšanje stabilnosti perovskita glej Ossilin vodnik.
Konvencionalni 3D perovskit (levo) v primerjavi z generično 2D perovskitno strukturo (desno).
Še ena tema, ki jo je še treba obravnavati, je uporaba svinca v perovskitnih spojinah. Čeprav se uporablja v veliko manjših količinah od tistih, ki so trenutno prisotne v baterijah na osnovi svinca ali kadmija, je prisotnost svinca v izdelkih za komercialno uporabo problematična. Še vedno ostaja zaskrbljenost zaradi izpostavljenosti strupenim svinčevim spojinam (z izpiranjem perovskita v okolje), nekatere študije pa kažejo, da bi obsežno izvajanje perovskitov zahtevalo popolno zaprtje razgradnih produktov. Nasprotno pa so druge ocene življenjskega cikla ugotovile, da je vpliv strupenosti svinca zanemarljiv v primerjavi z drugimi materiali v celici (kot je katoda).
Obstaja tudi možnost, da se v perovskitovih sončnih celicah (kot so perovskiti na osnovi kositra) uporabi alternativna svinca, vendar je učinkovitost pretvorbe energije pri teh napravah še vedno bistveno za napravami, ki temeljijo na svincu, s rekordno količino perovskita na osnovi kositra. trenutno znaša 9,0%. Nekatere študije so tudi ugotovile, da ima kositer dejansko večjo strupenost za okolje kot svinec, in druge manj toksične alternative.
Še en pomemben problem v smislu učinkovitosti je histereza tokovne napetosti, ki jo pogosto vidimo v napravah. Dejavniki, ki vplivajo na histerezo, so še vedno v razpravi, vendar se najpogosteje pripisujejo migraciji mobilnih ionov v kombinaciji z visokimi stopnjami rekombinacije. Metode za zmanjšanje histereze vključujejo različno arhitekturo celic, pasivizacijo površin in povečanje vsebnosti svinčevega jodida, kot tudi splošne strategije za zmanjšanje rekombinacije.
Približek histereze napetostne napetosti se pogosto pojavlja pri perovskitnih sončnih celicah.
Da bi omogočili resnično nizko ceno na vat, bi morale sončne celice perovskita doseči zelo napovedano trio z visoko učinkovitostjo, dolgo življenjsko dobo in nizkimi proizvodnimi stroški. Za druge tehnologije tankih filmov to še ni bilo doseženo, vendar naprave na osnovi perovskita trenutno kažejo ogromen potencial za dosego tega cilja.
Izdelava in merjenje perovskitnih sončnih celic
Čeprav perovskiti prihajajo iz na videz drugačnega sveta kristalografije, jih je mogoče zelo enostavno vključiti v standardno arhitekturo OPV (ali drugo tankofilmsko). Prve perovskitne sončne celice so temeljile na sončnih celicah (DSSC), občutljivih na barvno trdnost, in so uporabile mezoporozni TiO 2 oder. Veliko celic, ki so sledile tej predlogi ali uporabile Al 2 O 3 oder v "mezo-superstrukturirani" arhitekturi, vendar so visoki temperaturni koraki, potrebni za proizvodnjo, in UV nestabilnost TiO 2 , privedli do uvedbe "planarne" podobne arhitekture. na druge celice s tankim filmom. Po večletnem zaostajanju za mezoporoznimi celicami v smislu učinkovitosti so zdaj ravninski perovskiti skoraj tako učinkoviti.
Generične strukture konvencionalnih / obrnjenih ravnih in mezoporoznih (običajnih) perovskitnih celic.
Sam perovskitni film je običajno obdelan z vakuumskimi ali raztopinskimi postopki. Kakovost filma je zelo pomembna. Prvotno so vakuumsko deponirani filmi dali najboljše pripomočke, vendar ta proces zahteva ko-uparjanje organske (metilamonijeve) komponente hkrati z anorganskimi (svinčev halid) komponentami, zaradi česar so potrebne posebne izparevalne komore, ki niso na voljo številnim raziskovalcem. . Posledično so bila vložena znatna prizadevanja za izboljšanje naprav, obdelanih z raztopino, saj so ti enostavnejši in omogočajo obdelavo pri nizkih temperaturah, in zdaj so enake celice v vakuumu v smislu učinkovitosti.
Značilno je, da se aktivna plast solarne celice perovskita deponira preko enega ali dveh korakov. V enostopenjskem postopku se prekrije prekurzorska raztopina (kot je mešanica CH3NH3I in PbI2), ki se nato segreje v perovskitni film. Različica tega je metoda "protitopila", pri kateri je prekurzorska raztopina prevlečena v polarnem topilu in nato v procesu centrifugiranja prevlečena s nepolarnim topilom. Za optimalno delovanje so potrebna natančna časovna obdobja dušenja in količine topil za gašenje. Za pomoč pri tem smo zgradili črpalko za brizgo Ossila , ki nam je omogočila, da uporabimo ta proces gašenja, da bi povečali izkoristek pretvorbe električne energije v hiši nad 16%.
V dvostopenjskem postopku kovinski halid (kot je PbI2) in organske sestavine (kot CH3NH3I) prevlečemo s centrifugiranjem v ločenih, kasnejših filmih. Alternativno se lahko kovinski halidni filmi prevlečejo in žarijo v komori, napolnjeni s paro organske komponente, znan kot "postopek raztopine s pomočjo vakuuma" (VASP).
Približek metode za zmanjševanje topila, ki se pogosto uporablja za oblaganje perovskitov v enostopenjskem postopku iz predhodne raztopine.
Večina najsodobnejših perovskitov temelji na transparentni prevodni oksidni / ETL / Perovskit / HTL / kovinski konstrukciji, pri čemer se ETL in HTL nanašata na transportne elektrone in plasti transportnih lukenj. Tipični transportni sloji lukenj vključujejo Spiro-OMeTAD ali PEDOT: PSS , značilni sloji za prenos elektrona pa so Ti02 ali SnO2. Razumevanje in optimiranje energetskih nivojev in interakcij različnih materialov na teh vmesnikih ponuja zelo zanimivo področje raziskav, ki se še razpravlja.
Glavna vprašanja za praktično izdelavo perovskitnih sončnih celic so kakovost in debelina filma. Lahkotni (aktivni) perovskitni sloj mora biti debel nekaj sto nanometrov - nekajkrat več kot pri standardnih organskih fotovoltaikah , ustvarjanje takšnih debelih plasti z visoko enakomernostjo pa je lahko težavno. Če se pogoji nanašanja in žarjenje ne optimizirajo, se oblikujejo grobe površine z nepopolno pokritostjo. Tudi z dobro optimizacijo bo še vedno ostala velika hrapavost površine. Zato so potrebne tudi debelejše vmesne plasti, kot se običajno lahko uporabljajo. Izboljšanje kakovosti filma je bilo doseženo z različnimi metodami. Ena od takih metod je dodajanje majhnih količin kislin, kot so jodovodna ali bromovodikova kislina, o katerih smo predhodno razpravljali v zvezi s čistostjo MAI in topnostjo svinčevega klorida ali presežkom predhodnika zvodnega jodida.
Z obsežnimi raziskovalnimi prizadevanji je bilo doseženo več kot 22% izkoristka s prevleko s spinom , visoka učinkovitost pa je bila dosežena tudi z drugimi tehnikami obdelave raztopin (kot je na primer premaz ). To nakazuje, da je obsežna predelava perovskitov zelo izvedljiva.
Prihodnost perovskitov
Prihodnje raziskave perovskitov se bodo verjetno osredotočile na zmanjšanje rekombinacije s strategijami, kot sta pasivacija in zmanjšanje napak, ter povečanje učinkovitosti z vključevanjem 2D perovskitov in bolj optimiziranih vmesnih materialov. Plasti za ekstrakcijo naboja se bodo verjetno odmaknile od organskih materialov v anorganske, da bi izboljšali učinkovitost in stabilnost. Izboljšanje stabilnosti in zmanjšanje vpliva svinca na okolje bo verjetno še naprej pomembno področje interesa.
Medtem ko se komercializacija samostojnih perovskitnih sončnih celic še vedno sooča z ovirami v smislu izdelave in stabilnosti, je njihova uporaba v celicah c-Si / perovskita hitro napredovala (dosežena učinkovitost nad 25%) in verjetno je, da bodo perovskiti prvič videli fotonapetostni trg kot del te strukture. Poleg sončne energije ostaja pomemben potencial za uporabo perovskitov v drugih aplikacijah, kot so svetleče diode in uporovnih spominov.
Perovskite Video Guide
Za tiste, ki so šele začeli s perovskitskimi raziskavami, smo izdelali video vodnik, ki prikazuje celoten proces izdelave in merjenja perovskitnih fotovoltaikov. V naših lastnih laboratorijih smo dosegli povečanje učinkovitosti, ki presega 11% z uporabo tega posebnega postopka izdelave. Spodnji videoposnetek vsebuje starejši model Ossila Spin Coater, ki ga ni več na voljo - za ogled trenutnega modela lahko tukaj obiščete stran izdelka.
Ossila izdelki za perovskite sončne celice
Ossilina nagrajena platforma za izdelavo sončnih celic zagotavlja vzorčno znanstveno uporabo in vpliv na raziskave sončnih celic. Gre za koherentno zbirko substratov, materialov in preskusne opreme kot del standardne visoke fotovoltaične referenčne arhitekture. Raziskovalcem omogoča izdelavo visoko kakovostnih, popolnoma delujočih sončnih celic, ki jih je mogoče uporabiti kot zanesljivo izhodišče.
Kot raziskovalci in znanstveniki sami razumemo, kako dolgotrajno je pridobivanje strokovnega znanja o vseh materialih, postopkih in tehnikah, potrebnih za izdelavo visokokakovostne naprave - in kljub svojim najboljšim prizadevanjem lahko včasih privede do nedoslednih in nedoslednih -produktivni rezultati.
To platformo smo razvili z namenom, da vam omogočimo, da se osredotočite na svoje raziskave (namesto oblikovanja / nabave vseh vaših komponent) in ponovite izhodiščno vrednost delovanja. Pomembna prednost te platforme je zagotavljanje vnaprej oblikovanih substratov ITO in visoko zmogljive opreme za obdelavo - kar ima za posledico znatno povečanje stopnje proizvodnje za naprave s sončnimi celicami - in tako pomaga zbirati več podatkov, veliko hitreje. Tako se lahko preskusi več vrst novih materialov ali različic arhitekture in zbere več statističnih podatkov - kar zagotavlja doslednost in natančnost.
Na najosnovnejšem nivoju je večina solarnih celic na osnovi perovskita zasnovana na prozorni stekleni podlagi, prevlečeni s prevodnim oksidom, z uparjenimi kovinskimi katodami in vrhnjo inkapsulacijo. Kot taka se naša obstoječa substratna infrastruktura in perovskitni materiali že uporabljajo v visoko zmogljivih perovskitnih napravah, obdelanih z rešitvami. Naš standardni epoksid je prav tako primeren za laminiranje stekla ali drugih plasti ovir - kot se uporablja v papirju Snaith's 2014 Nature.
Ossila Spin Coater se rutinsko uporablja za odlaganje našega vmesnika in aktivnih plasti z visoko natančnostjo in enostavnim upravljanjem.
Zelo uporaben spremljevalec Spin Coaterja (na sliki zgoraj) je brizgalna črpalka Ossila . Uporablja se za avtomatsko točenje in gašenje naših perovskitnih plasti, da dobimo visoko kakovostne filme. Naši akademski sodelavci so naredili tudi nekaj vznemirljivega napredka pri perovskitnih sončnih celicah, ki so bili obdelani z raztopino, preko pršilne prevleke na naše standardne substrate. Poleg tega so perovskitne sončne celice označene z Ossila Solar Cell IV testnim sistemom , ki samodejno izračuna metriko naprave in lahko opravi meritve stabilnosti.
I101 Perovskit črnilo, ki je na voljo v Ossili. Pakirana je v 10 posameznih vialah, ki vsebujejo 0,5 ml raztopine. S tem je mogoče premazati do 160 substratov. I101 lahko kupite tudi v razsutem stanju (30 ml), s 25% popustom v primerjavi z našimi standardnimi velikostmi naročila.
V zadnjih mesecih smo sodelovali tudi z našimi akademskimi sodelavci, da bi na trg prinesli več izdelkov na osnovi perovskita, med drugim: metilamonijev jodid visoke čistosti, metilamonijev bromid , formamidinijev jodid in formamidinijev bromid. Prav tako smo izdali naš prvi komplet perovskitnih črnil, prvi od teh je I101 (MAI: PbCl 2 ), zasnovan za obdelavo v zraku in dokazal učinkovitost v naših laboratorijih do 11,7%. Naše drugo črnilo, I201 (MAI: PbCl 2 : PbI 2 ), je namenjeno za obdelavo v dušikovi atmosferi in do sedaj smo videli učinkovitost do 11,8%. Oba črnila so zasnovana tako, da pomagajo našim strankam doseči visoko učinkovitost, izjemno hitro, ko prvič začnejo s svojimi perovskites raziskavami. Vključili smo optimizirane procesne postopke z obema črnili, da bi povečali rezultate.
