Izvor: ossila.com
Brzo poboljšanje perovskitnih solarnih ćelija učinilo ih je zvijezdom u usponu fotonaponskog svijeta i od velikog interesa za akademsku zajednicu. Pošto su njihove operativne metode još uvijek relativno nove, postoji velika prilika za daljnja istraživanja u osnovnoj fizici i kemiji oko perovskita. Štaviše, kao što se pokazalo u proteklih nekoliko godina - inženjerska poboljšanja perovskitnih formulacija i rutina izrade dovela su do značajnog povećanja efikasnosti konverzije energije, sa najnovijim uređajima koji su dostigli preko 23%, od juna 2018. godine.
Šta su Perovskiti?
Zašto su Perovskite solarne ćelije tako značajne?
Koja pitanja Perovskites lice?
Izrada i mjerenje perovskitnih solarnih ćelija
Budućnost Perovskita
Perovskite Fabrication Video Guide
Ossila Proizvodi za Perovskite solarne ćelije
Reference
Dalje čitanje
Šta su Perovskiti?
Izrazi "perovskit" i "perovskitska struktura" se često koriste kao sinonimi. Tehnički, perovskit je tip minerala koji je prvi put pronađen u Uralu i nazvan po Levu Perovskom (koji je bio osnivač Ruskog geografskog društva). Perovskitna struktura je svako jedinjenje koje ima istu strukturu kao perovskitni mineral.
Istinski perovskit (mineral) sastoji se od kalcijuma, titana i kiseonika u obliku CaTiO 3 . U međuvremenu, struktura perovskita je sve što ima generički oblik ABX 3 i istu kristalografsku strukturu kao perovskit (mineral). Međutim, pošto većina ljudi u svetu solarnih ćelija nije uključena u minerale i geologiju, perovskit i perovskit struktura se koriste kao sinonimi.
Raspored perovskitnih rešetki je prikazan u nastavku. Kao i kod mnogih struktura u kristalografiji, može se predstaviti na više načina. Najjednostavniji način razmišljanja o perovskitu je veliki atomski ili molekularni kation (pozitivno nabijen) tipa A u središtu kocke. Zatim su uglovi kocke zauzeti atomima B (i pozitivno nabijenim kationima), a lica kocke zauzimaju manji atom X s negativnim nabojem (anion).
Generička perovskitova kristalna struktura oblika ABX3. Imajte na umu da su dvije strukture ekvivalentne - struktura lijeve strane je nacrtana tako da je atom B na položaju <0,0,0> dok je desna struktura nacrtana tako da je atom (ili molekul) A na < 0,0,0=""> pozicija. Takođe imajte na umu da su linije vodič za predstavljanje kristalne orijentacije, a ne uzorci vezivanja.
U zavisnosti od toga koji atomi / molekuli se koriste u strukturi, perovskiti mogu imati impresivan niz zanimljivih svojstava, uključujući supravodljivost, ogromnu magnetsku otpornost, spin-zavisni transport (spintronika) i katalitička svojstva. Perovskiti stoga predstavljaju uzbudljivo igralište za fizičare, hemičare i naučnike za materijale.
Perovskiti su se prvo uspješno koristili u čvrstim solarnim ćelijama 2012. godine, i od tada većina ćelija koristi sledeću kombinaciju materijala u uobičajenom perovskitnom obliku ABX 3 :
A = organski kation - metilamonijum (CH 3 NH 3 + ) ili formamidinijum (NH2CHNH2 + )
B = veliki neorganski kation - obično olovo (II) (Pb 2+ )
X 3 = Malo manji halogeni anion - obično klorid (Cl - ) ili jodid (I - )
Budući da je ovo relativno opšta struktura, ovi uređaji na bazi perovskita mogu se dati i različiti nazivi, koji se mogu odnositi na općenitiju klasu materijala ili na određenu kombinaciju. Kao primer toga, napravili smo tabelu ispod kako bismo istakli koliko imena može biti formirano iz jedne osnovne strukture.
A | B | X 3 |
Organo | Metal | Trihalide (ili trihalide) |
Metilamonijum | Lead | Jodid (ili trijodid) |
Plumbate | Hlorid (ili triklorid) |
Perovskite 'name-picking' tabela : Izaberite bilo koju stavku iz kolona A, B ili X 3 da biste dobili ispravno ime. Primjeri uključuju: organske olovo-kloride, metilamonij-metal-trihalide, organo-plumbate-jodide itd.
Tabela pokazuje koliko je prostor za parametre ogroman za potencijalne kombinacije materijala / strukture, jer postoji mnogo drugih atoma / molekula koji se mogu zamijeniti za svaku kolonu. Izbor kombinacija materijala će biti presudan za određivanje i optičkih i elektronskih svojstava (npr. Pojasni i kompenzacijski apsorpcioni spektri, mobilnost, dužine difuzije, itd.). Jednostavna optimizacija brutalne sile kombinatornim skriningom u laboratoriji je vrlo neefikasna u pronalaženju dobrih perovskitnih struktura.
Većina efikasnih perovskita zasniva se na metalnim halogenidima iz grupe IV (specifično, olovo), a kretanje izvan njega pokazalo se izazovnim. Vjerovatno je potrebno dublje znanje nego što je trenutno dostupno kako bi se u potpunosti istražio raspon mogućih perovskitnih struktura. Solarne ćelije na bazi perovskita na bazi olova su posebno dobre zbog niza faktora, uključujući jaku apsorpciju u vidljivom režimu, duge duljine difuzije punjenja i nosača, podesivu pojasnu propustljivost i jednostavnu proizvodnju (zbog velike tolerancije na defekte i sposobnost obrade na niskim temperaturama).
Zašto su Perovskite solarne ćelije tako značajne?
Postoje dva ključna grafikona koji pokazuju zašto su perovskit solarne ćelije privukle tako značajnu pažnju u kratkom vremenu od 2012. godine. Prvi od ovih grafikona (koji koristi podatke iz dijagrama efikasnosti solarne ćelije NREL) 1 pokazuje efikasnost pretvorbe energije perovskita na bazi uređaja tokom proteklih godina, u poređenju sa nastajanjem fotonaponskih istraživačkih tehnologija, kao i tradicionalnim tankoslojnim fotonaponama.
Grafikon pokazuje meteorski porast u odnosu na većinu drugih tehnologija u relativno kratkom vremenskom periodu. U roku od 4 godine od njihovog probijanja, perovskit solarne ćelije su izjednačile efikasnost kadmijum telurida (CdTe), koji postoji već više od 40 godina. Nadalje, od juna 2018. godine oni su sada premašili sve druge tehnologije tankog filma, bez koncentriranja - uključujući CdTe i bakar Indijum galij Selenid (CIGS). Iako se može tvrditi da je više resursa i bolja infrastruktura za istraživanje solarnih ćelija dostupno u posljednjih nekoliko godina, dramatični porast učinkovitosti perovskit solarne ćelije još uvijek je nevjerojatno značajan i impresivan.
Perovskit solarne ćelije su povećale efikasnost konverzije energije na fenomenalnoj stopi u odnosu na druge tipove fotonaponskih sistema. Iako ova cifra predstavlja samo laboratorijske "heroj ćelije", ona najavljuje veliko obećanje.
Drugi ključni dijagram ispod je napon otvorenog kruga u odnosu na pojasni raspon za niz tehnologija koje se natječu protiv perovskita. Ovaj grafikon pokazuje koliko se energije fotona gubi u procesu konverzije od svjetlosti do električne energije. Za standardne organske solarne ćelije bazirane na eksitonici, ovaj gubitak može iznositi i do 50% apsorbirane energije, dok perovskit solarne ćelije redovito prelaze 70% iskorištenja energije fotona i imaju potencijal da se još više povećaju. 4
Ovo se približava vrijednostima najnovijih tehnologija (kao što je GaAs), ali po znatno nižoj cijeni. Kristalne silikonske solarne ćelije, po svemu sudeći najbliži komparator perovskitima u pogledu efikasnosti i troškova, već su do 1000 puta jeftinije od najsavremenijih GaAs. 5 Perovskiti imaju potencijal da postanu još jeftiniji od ovog.
Maksimalno iskorištenje energije fotona (definirano kao napon otvorenog kruga Voc podijeljen optičkim pojasnim pojasom Eg) za zajedničke materijalne sustave solarnih ćelija s jednim priključkom. Izračunato iz najsavremenijih ćelija detaljno opisanih u tabeli NREL-a.
Koja pitanja Perovskites lice?
Najveće pitanje u oblasti perovskita trenutno je dugoročna nestabilnost. Pokazalo se da je ovo posljedica degradacijskih puteva koji uključuju vanjske faktore, kao što su voda, svjetlo i kisik, i kao rezultat unutrašnje nestabilnosti, kao što je degradacija nakon zagrijavanja, zbog svojstava materijala. Za pregled uzroka degradacije perovskita vidi Osilin vodič.
Predloženo je nekoliko strategija kako bi se poboljšala stabilnost, najuspješnije promjenom izbora komponenti. Korištenje mješovitih kationskih sistema (na primjer uključivanjem neorganskih kationa kao što je rubidij ili cezijum) pokazalo se da poboljšava stabilnost i učinkovitost. Prve perovskitne ćelije koje prelaze 20% efikasnosti koriste mešoviti organski kationski sistem, i mnogi od sistema sa najvećom efikasnošću koji su nedavno objavljeni koriste neorganske komponente. Kretanje prema hidrofobnim, UV-stabilnim međufaznim slojevima takođe je poboljšalo stabilnost - na primer, zamenom TiO 2 , koji je osetljiv na UV degradaciju, sa SnO 2 stabilnošću je takođe poboljšana upotrebom površinske pasivizacije i kombinovanjem 2D-slojevitih (Ruddlesden-Popper) perovskita (koji pokazuju bolju intrinzičnu stabilnost, ali slabije performanse) sa konvencionalnim 3D perovskitima. Ovi napori (zajedno sa faktorima kao što su bolje inkapsuliranje) su znatno poboljšali stabilnost perovskita od njihovog početnog uvođenja, a životni vek je na dobrom putu da zadovolje industrijske standarde - sa nedavnim radom koji pokazuje ćelije koje mogu izdržati 1000-satni test vlažne toplote. Za detaljniju diskusiju o metodama za poboljšanje stabilnosti perovskita , vidi Osilin vodič.
Konvencionalni 3D perovskit (lijevo) u odnosu na generičku 2D perovskitnu strukturu (desno).
Još jedno pitanje koje treba još u potpunosti riješiti je korištenje olova u perovskitnim spojevima. Iako se koristi u mnogo manjim količinama od onih koje se trenutno nalaze u baterijama na bazi olova ili kadmija, prisutnost olova u proizvodima za komercijalnu upotrebu je problematična. Još uvijek ostaje zabrinutost zbog izloženosti toksičnim spojevima olova (kroz ispiranje perovskita u okolinu), a neke studije ukazuju na to da bi široka primjena perovskita zahtijevala potpuno zaustavljanje proizvoda razgradnje. Nasuprot tome, druge procene životnog ciklusa su otkrile da je uticaj toksičnosti olova zanemarljiv u poređenju sa drugim materijalima u ćeliji (kao što je katoda).
Takođe postoji potencijal za vođenje alternativa za upotrebu u perovskitnim solarnim ćelijama (kao što su perovskiti na bazi kalaja), ali efikasnost konverzije energije takvih uređaja je još uvek značajno iza uređaja na bazi olova, sa rekordom za perovskit na bazi kalaja trenutno iznosi 9,0%. Neke studije su takođe zaključile da kositar može imati veću toksičnost za životnu sredinu od olova, i druge manje toksične alternative su potrebne.
Još jedno važno pitanje u smislu performansi je histereza strujnog napona koja se obično vidi u uređajima. Faktori koji utiču na histerezu su još uvijek u debati, ali se najčešće pripisuje migraciji mobilnih iona u kombinaciji s visokim nivoima rekombinacije. Metode za smanjenje histereze uključuju različitu arhitekturu ćelija, površinsku pasivizaciju i povećanje sadržaja jodida olova, kao i opšte strategije za smanjenje rekombinacije.
U aproksimaciji strujno-naponske histereze često se susreću u perovskitnim solarnim ćelijama.
Da bi se omogućila zaista niska cena po vatu, perovskit solarne ćelije moraju da ostvare mnogo najavljivaniji trio visoke efikasnosti, dugi vek trajanja i niske proizvodne troškove. To još nije postignuto za druge tehnologije tankog filma, ali uređaji na bazi perovskita trenutno pokazuju ogroman potencijal za postizanje ovog cilja.
Izrada i mjerenje perovskitnih solarnih ćelija
Iako perovskiti dolaze iz naizgled različitog kristalografskog svijeta, mogu se vrlo lako ugraditi u standardnu OPV (ili drugu tanku filmsku) arhitekturu. Prve solarne ćelije perovskita bile su zasnovane na solarnim ćelijama osjetljivim na boje u čvrstom stanju (DSSC), pa su tako korištene mezoporozne TiO 2 skele. Mnoge ćelije od tada su slijedile ovaj predložak ili su koristile Al 2 O 3 skelu u 'mezo-superstrukturiranoj' arhitekturi, ali visoki temperaturni koraci potrebni za proizvodnju, i UV nestabilnost TiO 2 , doveli su do uvođenja 'planarne' arhitekture slične drugim tankim filmskim ćelijama. Nakon nekoliko godina zaostajanja za mezoporoznim ćelijama u smislu efikasnosti, planarni perovskiti su sada skoro jednako efikasni.
Generičke strukture konvencionalnih / obrnutih planarnih i mezoporoznih (konvencionalnih) perovskit ćelija.
Sama perovskitska folija se obično obrađuje metodama vakuuma ili rastvora. Kvalitet filma je veoma važan. U početku, vakuum-nanošeni filmovi su dali najbolje uređaje, ali ovaj proces zahteva ko-isparavanje organske (metilamonijumske) komponente istovremeno sa neorganskim (olovni halid) komponentama, zahtevajući specijalne isparivačke komore koje nisu dostupne mnogim istraživačima. . Kao rezultat toga, došlo je do značajnih napora u poboljšanju uređaja koji se obrađuju rješenjima, jer su oni jednostavniji i omogućuju obradu niskih temperatura, a sada su to jednake vakuumske ćelije u smislu efikasnosti.
Tipično, aktivni sloj perovskit solarne ćelije se deponira ili kroz jedan ili dva koraka. U postupku u jednom koraku, prekursorska otopina (kao što je mješavina CH3NH3I i PbI2) je obložena da se nakon zagrijavanja pretvori u perovskitni film. Varijacija na ovo je 'antisolventna' metoda, u kojoj je prekursorska otopina obložena u polarnom rastvaraču, a zatim je obrađena nepolarnim otapalom tokom procesa prevlačenja. Da bi se postigli optimalni učinci potrebno je precizno određivanje vremena gašenja i količina otapala za gašenje. Da bismo pomogli u tome, izgradili smo pumpu za špricu Ossila , koja nam je omogućila da koristimo ovaj proces gašenja kako bismo povećali efikasnost konverzije energije u kući preko 16%.
U procesu u dva koraka, metalni halogenidi (kao što je PbI 2 ) i organske komponente (kao što je CH3NH3I) su obloženi spin-om u odvojenim, naknadnim filmovima. Alternativno, metalni halogenidni filmovi mogu biti obloženi i žareni u komori napunjenoj organskom komponentom pare, poznatom kao 'proces uz pomoć vakuuma' (VASP).
Metoda apsorpcije anti-otapala koja se često koristi za oblaganje perovskita u procesu u jednom koraku od otopine prekursora.
Većina najsavremenijih perovskita zasniva se na transparentnoj provodnoj oksidnoj / ETL / Perovskit / HTL / metalnoj strukturi, pri čemu se ETL i HTL odnose na transporte elektrona i slojeve za transport otvora. Tipični slojevi za transport otvora uključuju Spiro-OMeTAD ili PEDOT: PSS , a tipični slojevi za transport elektrona uključuju TiO 2 ili SnO 2 . Razumevanje i optimizacija nivoa energije i interakcija različitih materijala na ovim interfejsima nudi veoma uzbudljivo područje istraživanja koje se još uvijek razmatra.
Glavna pitanja za praktičnu izradu uređaja perovskitnih solarnih ćelija su kvalitet i debljina filma. Sloj žetvenog (aktivnog) perovskita treba da bude debljine nekoliko stotina nanometara - nekoliko puta više nego za standardne organske fotonaponske sisteme , a stvaranje takvih debelih slojeva sa visokom uniformnošću može biti teško. Osim ako se uvjeti taloženja i temperatura žarenja ne optimiziraju, nastaju grube površine s nepotpunom pokrivenošću. Čak i uz dobru optimizaciju, ostaje i dalje značajna hrapavost površine. Stoga su potrebni deblji slojevi sučelja nego što bi se inače mogli koristiti. Poboljšanja kvaliteta filma postignuta su različitim metodama. Jedan od takvih metoda je dodavanje malih količina kiselina, kao što je jodovodonična ili bromovodična kiselina, o kojima se prethodno raspravljalo o čistoći MAI u odnosu na rastvorljivost olovnog hlorida ili viška prekursora olovnog jodida.
Kroz opsežna istraživanja, postignuta je efikasnost od preko 22% pomoću oblaganja centrifugom , a visoka efikasnost je postignuta i korištenjem drugih tehnika za obradu otopina (kao što je premaz ). To sugeriše da je velika obrada perovskita u velikoj meri veoma izvodljiva.
Budućnost Perovskita
Buduća istraživanja o perovskitima će se verovatno fokusirati na smanjenje rekombinacije kroz strategije kao što su pasivizacija i smanjenje defekata, kao i na povećanje efikasnosti kroz uključivanje 2D perovskita i bolje optimizovanih materijala interfejsa. Slojevi za ekstrakciju naboja će se vjerojatno udaljiti od organskih materijala u neorganske, kako bi se poboljšala efikasnost i stabilnost. Poboljšanje stabilnosti i smanjenje uticaja olova na životnu sredinu će vjerovatno i dalje biti značajna područja interesa.
Dok se komercijalizacija samostalnih perovskitnih solarnih ćelija još uvijek suočava sa preprekama u smislu izrade i stabilnosti, njihova upotreba u tandem c-Si / perovskit ćelijama je brzo napredovala (sa postignutim efikasnostima iznad 25%) i verovatno je da će perovskiti prvi put videti PV tržište kao deo ove strukture. Osim solarne energije, ostaje značajan potencijal za upotrebu perovskita u drugim aplikacijama, kao što su diode koje emituju svjetlost i otporne uspomene.
Perovskite Fabrication Video Guide
Za one koji tek počinju sa svojim perovskitovim istraživanjem, napravili smo video vodič koji prikazuje ceo proces izrade i merenja perovskitnih fotonaponskih sistema. U našim laboratorijama, postigli smo efikasnost veću od 11% koristeći ovu specifičnu rutinu izrade. Video ispod prikazuje stariji, prekinuti model Ossila Spin Coater - da biste vidjeli trenutni model, možete posjetiti stranicu proizvoda ovdje .
Ossila Proizvodi za Perovskite solarne ćelije
Ossilina nagrađivana platforma za izradu prototipa solarnih ćelija pruža primjerenu znanstvenu primjenu i utjecaj u istraživanju solarnih ćelija. To je koherentna zbirka podloga, materijala i opreme za testiranje kao dio standardne standardne fotonaponske referentne arhitekture. Ona omogućava istraživačima da proizvode visoko kvalitetne, potpuno funkcionalne solarne ćelije koje se mogu koristiti kao pouzdana osnovica.
Kao sami istraživači i znanstvenici, razumijemo koliko je dugotrajno to da se stekne znanje o svim materijalima, procesima i tehnikama potrebnim za proizvodnju visokokvalitetnog uređaja - i kako uprkos vašim najboljim naporima, to ponekad može dovesti do nekonzistentnih i neujednačenih -produktivni rezultati.
Razvili smo ovu platformu sa ciljem da vam omogućimo da se fokusirate na svoje istraživanje (umesto da dizajnirate / nabavljate sve svoje komponente) i da replicirate osnovu performansi. Značajna prednost ove platforme je obezbjeđivanje predodređenih ITO podloga i visoko-propusne opreme za obradu - što rezultira značajnim povećanjem vaše proizvodnje za uređaje sa solarnim ćelijama - i na taj način vam pomaže da prikupite više podataka, mnogo brže. Kao takva, može se testirati više tipova novih materijala ili varijacija u arhitekturi i prikupiti više statističkih podataka - čime se osigurava dosljednost i preciznost.
Na najosnovnijem nivou, većina solarnih ćelija na bazi perovskita bazira se na staklenoj podlozi obloženoj prozirnom vodljivom oksidom sa isparanom metalnom katodom i gornjom kapsulom. Kao takva, naša postojeća infrastruktura supstrata i perovskitni materijali se već koriste u perovskitnim uređajima sa visokim performansama. Naš standardni epoksid za inkapsulaciju je takođe savršeno pogodan za laminiranje stakla ili drugih slojeva barijera - kao što se koristi u Snaithovom papiru iz 2014. godine.
Ossila Spin Coater se rutinski koristi za odlaganje našeg sučelja i aktivnih slojeva uz visoku preciznost i jednostavno rukovanje.
Vrlo koristan pratilac Spin Coater-a (na slici iznad) je pumpa za špricu Ossila . Može se koristiti za automatsko doziranje i gašenje naših perovskitnih slojeva radi dobivanja visokokvalitetnih filmova. Naše akademske kolege su takođe napravile neki uzbudljiv napredak na perovskit solarnim ćelijama obrađenim rešenjima preko premaza na naše standardne podloge. Osim toga, perovskit solarne ćelije su karakterizirane korištenjem Ossila Solar Cell IV Test sustava , koji automatski izračunava metriku uređaja i može obavljati mjerenja stabilnosti.
I101 Perovskit tinta iz Ossile. Pakuje se kao 10 pojedinačnih bočica koje sadrže 0,5 ml otopine. Ovo može da obloži do 160 podloga. I101 se također može kupiti u rasutom stanju (30 ml), uz 25% popusta u odnosu na standardne veličine narudžbi.
Tokom proteklih meseci radili smo i sa našim akademskim saradnicima kako bismo na tržište plasirali više proizvoda na bazi perovskita, uključujući: Metilamonijum jodid visoke čistoće, metilamonijum bromid , formamidinijum jodid i formamidinijum bromid. Takođe smo izdali naš prvi set perovskitnih mastila, prvi od njih je I101 (MAI: PbCl 2 ), dizajniran da bude obrađen u vazduhu i pokazao efikasnost u našim laboratorijama do 11,7%. Naša druga tinta, I201 (MAI: PbCl 2 : PbI 2 ) je za muliranje da se obrađuje u atmosferi azota, i do sada smo vidjeli efikasnost do 11,8%. Oba mastila su dizajnirana da pomognu našim klijentima da postignu visoku efikasnost neverovatno brzo kada počnu sa svojim istraživanjima perovskita. Mi uključujemo optimizirane rutine obrade s obje boje kako bi se maksimizirali rezultati.