Izvor: ossila.com
Brzo poboljšanje perovskitnih solarnih ćelija učinilo ih je zvijezdom u usponu fotovoltaike i od velikog interesa za akademsku zajednicu. Budući da su njihove operativne metode još uvijek relativno nove, postoji velika prilika za daljnja istraživanja temeljne fizike i kemije oko perovskita. Nadalje, kao što se pokazalo tijekom proteklih nekoliko godina - inženjerska poboljšanja perovskitnih formulacija i postupaka proizvodnje dovela su do značajnog povećanja učinkovitosti pretvorbe energije, a noviji uređaji dosežu više od 23%, od lipnja 2018. godine.
Što su Perovskiti?
Zašto su Perovskite solarne ćelije tako značajne?
Što se Perovskites lice?
Izrada i mjerenje perovskitnih solarnih stanica
Budućnost Perovskita
Perovskite vodič za izradu videozapisa
Proizvodi Ossile za solarne ćelije Perovskite
Reference
Daljnje čitanje
Što su Perovskiti?
Izrazi "perovskit" i "perovskitna struktura" često se koriste kao sinonimi. Tehnički, perovskit je vrsta minerala koji je prvi put pronađen u Uralu i nazvan po Levu Perovskom (koji je bio utemeljitelj Ruskog geografskog društva). Perovskitna struktura je svaki spoj koji ima istu strukturu kao perovskitni mineral.
Istinski perovskit (mineral) sastoji se od kalcija, titana i kisika u obliku CaTiO3. U međuvremenu, struktura perovskita je sve što ima generički oblik ABX 3 i istu kristalografsku strukturu kao perovskit (mineral). Međutim, budući da većina ljudi u svijetu solarnih ćelija nije uključena u minerale i geologiju, perovskit i perovskit struktura se koriste kao sinonimi.
Raspored perovskitnih rešetki prikazan je u nastavku. Kao i kod mnogih struktura u kristalografiji, može se prikazati na više načina. Najjednostavniji način razmišljanja o perovskitu je veliki atomski ili molekularni kation (pozitivno nabijen) tipa A u središtu kocke. Kutove kocke zauzimaju atomi B (i pozitivno nabijeni kationi), a lica kocke zauzimaju manji atom X s negativnim nabojem (anion).
Generička perovskitska kristalna struktura oblika ABX3. Imajte na umu da su dvije strukture ekvivalentne - lijeva struktura je nacrtana tako da je atom B na položaju <0,0,0> dok je desna struktura nacrtana tako da je atom (ili molekula) A na <> Također imajte na umu da su crte vodič za prikaz kristalne orijentacije, a ne kao uzorak spajanja.
Ovisno o tome koji atomi / molekule se koriste u strukturi, perovskiti mogu imati impresivan niz zanimljivih svojstava, uključujući supravodljivost, ogromnu magnetsku otpornost, spin-ovisni transport (spintronika) i katalitička svojstva. Perovskiti stoga predstavljaju uzbudljivo igralište za fizičare, kemičare i materijalne znanstvenike.
Perovskiti su se prvo uspješno koristili u čvrstim solarnim ćelijama 2012. godine, i od tada je većina stanica koristila sljedeću kombinaciju materijala u uobičajenom perovskitnom obliku ABX 3 :
A = organski kation - metilamonij (CH3NH3 + ) ili formamidinij (NH2CHNH2 + )
B = veliki anorganski kation - obično olovo (II) (Pb 2+ )
X 3 = Malo manji halogeni anion - obično klorid (Cl - ) ili jodid (I - )
Budući da se radi o relativno općenitoj strukturi, ti uređaji na bazi perovskita mogu također imati određeni broj različitih naziva, koji se mogu odnositi na općenitiju klasu materijala ili na određenu kombinaciju. Kao primjer toga, napravili smo tablicu u nastavku kako bismo istaknuli koliko se imena može oblikovati iz jedne osnovne strukture.
| B | X3 |
organo | Metal | Trihalide (ili trihalide) |
metilamonij | voditi | Jodid (ili trijodid) |
Plumbate | Klorid (ili triklorid) |
Tablica perovskite 'name-picking' : Odaberite bilo koju stavku iz stupaca A, B ili X 3 da biste dobili valjano ime. Primjeri uključuju: organske olovo-kloride, metilamonij-metal-trihalide, organo-plumbate-jodide itd.
Tablica pokazuje koliko je prostor za parametre ogroman za potencijalne kombinacije materijala / strukture, budući da postoji mnogo drugih atoma / molekula koje se mogu zamijeniti za svaki stupac. Izbor kombinacija materijala bit će presudan za određivanje optičkih i elektroničkih svojstava (npr. Pojasni i kompenzacijski apsorpcijski spektri, pokretljivost, duljine difuzije, itd.). Jednostavna optimizacija brutalne sile kombinatornim skriningom u laboratoriju vjerojatno će biti vrlo neučinkovita u pronalaženju dobrih perovskitnih struktura.
Većina učinkovitih perovskita zasniva se na metalnim halidima skupine IV (specifično, olovo), a kretanje izvan njega pokazalo se izazovnim. Vjerojatno 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 posebno su dobre zbog niza čimbenika, uključujući jaku apsorpciju u vidljivom režimu, duge duljine difuzije nabojnog nosača, podesivu pojasnu propustljivost i jednostavnu proizvodnju (zbog visoke tolerancije na defekte i sposobnost obrade pri niskim temperaturama).
Zašto su Perovskite solarne ćelije tako značajne?
Postoje dva ključna grafikona koji pokazuju zašto su perovskitne solarne ćelije privukle tako istaknutu pozornost u kratkom vremenu od 2012. godine. Prvi od ovih grafova (koji koristi podatke dobivene iz NREL dijagrama učinkovitosti solarne ćelije) 1 pokazuje učinkovitost pretvorbe energije perovskita u posljednjih nekoliko godina, u usporedbi s nastajanjem fotonaponskih istraživačkih tehnologija, te tradicionalnim tankoslojnim fotonaponskim sustavima.
Graf prikazuje meteorski porast u odnosu na većinu drugih tehnologija u relativno kratkom vremenskom razdoblju. U roku od 4 godine od njihovog prodora, perovskit solarne ćelije izjednačile su učinkovitost Cadmium Tellurida (CdTe), koji postoji već više od 40 godina. Nadalje, od lipnja 2018. godine oni su sada premašili sve druge tehnologije tankog filma, bez koncentriranja - uključujući CdTe i bakreni indij galij Selenid (CIGS). Iako se može tvrditi da je više resursa i bolja infrastruktura za istraživanje solarnih ćelija dostupno u posljednjih nekoliko godina, dramatično povećanje učinkovitosti perovskitnih solarnih ćelija još uvijek je nevjerojatno značajno i impresivno.
Perovskit solarne ćelije povećale su učinkovitost pretvorbe energije na fenomenalnoj razini u usporedbi s drugim vrstama fotonaponskih sustava. Iako ova brojka predstavlja samo laboratorijske "herojske stanice", ona najavljuje veliko obećanje.
Drugi ključni dijagram ispod je napon otvorenog kruga u usporedbi s pojasom za niz tehnologija koje se natječu s perovskitima. Ovaj grafikon pokazuje koliko se energije fotona gubi u procesu pretvorbe od svjetlosti do električne energije. Za standardne organske solarne ćelije bazirane na eksitonici, taj gubitak može iznositi i do 50% apsorbirane energije, dok perovskit solarne stanice redovito prelaze 70% iskorištenja energije fotona i imaju potencijal da se još više povećaju. 4
To se približava vrijednostima najnovijih tehnologija (kao što je GaAs), ali po znatno nižoj cijeni. Solarne ćelije kristalnog silicija, vjerojatno najbliže usporedbi s perovskitima u smislu učinkovitosti i cijene, već su i do 1000 puta jeftinije od najsuvremenijeg GaAs-a. 5 Perovskiti imaju potencijal da postanu još jeftiniji od ovoga.
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 najsuvremenijih stanica koje su navedene u tablicama učinkovitosti NREL-a.
Što se Perovskites lice?
Najveće pitanje na području perovskita trenutno je dugoročna nestabilnost. To se pokazalo kao posljedica degradacijskih putova koji uključuju vanjske čimbenike, kao što su voda, svjetlo i kisik, i također kao rezultat intrinzične nestabilnosti, kao što je razgradnja 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. Pokazalo se da upotreba mješovitih kationskih sustava (na primjer uključivanjem anorganskih kationa kao što je rubidij ili cezij) poboljšava stabilnost i učinkovitost. Prve perovskitne stanice koje prelaze 20% učinkovitosti koristile su mješoviti organski kationski sustav, i mnogi od sustava najviše učinkovitosti koji su nedavno objavljeni koriste anorganske komponente. Kretanje prema hidrofobnim, UV-stabilnim međufaznim slojevima također je poboljšalo stabilnost - na primjer zamjenom TiO 2 , koji je osjetljiv na UV degradaciju, sa SnO 2 stabilnošću je također poboljšana upotrebom pasivne pasivnosti i kombiniranjem 2D-slojevitih (Ruddlesden-Popper) perovskita (koji pokazuju bolju intrinzičnu stabilnost, ali slabije performanse) s konvencionalnim 3D perovskitima. Ti napori (zajedno s čimbenicima poput boljeg enkapsuliranja) su znatno poboljšali stabilnost perovskita od njihovog početnog uvođenja, a životni vijek je na dobrom putu da zadovolje industrijske standarde - s nedavnim radom koji pokazuje stanice koje mogu izdržati 1000-satni test vlažne topline. Za detaljniju raspravu o metodama za poboljšanje stabilnosti perovskita , vidi Osilin vodič.
Konvencionalni 3D perovskit (lijevo) u usporedbi s generičkom 2D perovskitnom strukturom (desno).
Još jedno pitanje koje tek treba riješiti jest uporaba 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 uporabu je problematična. Još uvijek ostaje zabrinutost zbog izloženosti toksičnim spojevima olova (kroz ispiranje perovskita u okoliš), a neke studije ukazuju na to da bi velika primjena perovskita zahtijevala potpuno zaustavljanje proizvoda razgradnje. Nasuprot tome, druge procjene životnog ciklusa pokazale su da je utjecaj toksičnosti olova zanemariv u usporedbi s drugim materijalima u stanici (kao što je katoda).
Također postoji mogućnost da se u perovskitnim solarnim ćelijama (kao što su perovskiti na bazi kalaja) koristi alternativna metoda, ali učinkovitost pretvorbe energije takvih uređaja još uvijek je značajno iza uređaja na bazi olova, uz rekord za perovskit na bazi kalaja trenutno iznosi 9,0%. Neke studije su također zaključile da kositar zapravo može imati veću toksičnost za okoliš od olova, i druge manje toksične alternative.
Drugi važan problem u smislu performansi je histereza strujnog napona koja se obično vidi u uređajima. Čimbenici koji utječu na histerezu još uvijek se raspravljaju, ali se najčešće pripisuje migraciji mobilnih iona u kombinaciji s visokim razinama rekombinacije. Metode za smanjenje histereze uključuju različitu arhitekturu stanica, površinsku pasivizaciju i povećanje sadržaja jodida olova, kao i opće strategije za smanjenje rekombinacije.
U aproksimaciji struje-naponske histereze često se susreću u perovskitnim solarnim ćelijama.
Da bi se omogućila istinski niska cijena po vatu, solarne ćelije perovskita trebale su ostvariti najavljivani trio visoke učinkovitosti, dugi vijek trajanja i niske troškove proizvodnje. To još nije postignuto za druge tehnologije tankog filma, ali uređaji na bazi perovskita trenutno pokazuju ogroman potencijal za to.
Izrada i mjerenje perovskitnih solarnih stanica
Iako perovskiti dolaze iz naizgled različitog svijeta kristalografije, mogu se vrlo lako uklopiti u standardnu OPV (ili drugu tankoslojnu) arhitekturu. Prve solarne ćelije perovskita bile su temeljene na solarnim ćelijama osjetljivim na boje u čvrstom stanju (DSSC), pa su tako korištene mezoporozne TiO 2 skele. Mnoge stanice 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 na druge stanice tankog filma. Nakon nekoliko godina zaostajanja mezoporoznih stanica u smislu učinkovitosti, planarne perovskite su sada gotovo jednako učinkovite.
Generičke strukture konvencionalnih / obrnutih planarnih i mezoporoznih (konvencionalnih) perovskitnih stanica.
Sam perovskitni film se obično obrađuje ili vakuumskim ili otopinskim postupcima. Kvaliteta filma je vrlo važna. U početku, vakuum-nanošeni filmovi su dali najbolje uređaje, ali taj proces zahtijeva ko-isparavanje organske (metilamonijeve) komponente istovremeno s anorganskim (olovo halogenidom) komponentama, što zahtijeva specijalizirane komore za isparavanje 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 te sada jednake vakuumske stanice u smislu učinkovitosti.
Tipično, aktivni sloj solarne ćelije perovskita se taloži putem jednog ili dva koraka. U postupku u jednom koraku, prekursorska otopina (kao što je mješavina CH3NH3I i PbI2) je prevučena da se nakon zagrijavanja pretvara u perovskitni film. Varijacija na to je 'protuotapalo' metoda, u kojoj je otopina prekursora obložena u polarnom otapalu, a zatim je prekinuta tijekom procesa oblaganja centrifugiranjem nepolarnim otapalom. Potrebna su precizna vremena gašenja i volumena otapala za gašenje kako bi se postigle optimalne performanse. Kako bismo pomogli u tome, izgradili smo pumpu za špricu Ossila , koja nam je omogućila da koristimo ovaj proces gašenja kako bismo povećali vrijednost učinkovitosti pretvorbe energije u kući preko 16%.
U postupku u dva koraka, metalni halidi (kao što je PbI2) i organske komponente (kao što je CH3NH3I) su prevučeni spin-om u odvojenim, naknadnim filmovima. Alternativno, metalni halogenidni filmovi mogu biti presvučeni i žareni u komori napunjenoj s parom organske komponente, poznatim kao 'proces uz pomoć vakuuma' (VASP).
Aproksimacija metode gašenja protiv otapala koja se često koristi za oblaganje perovskita u jednom koraku iz prekursorske otopine.
Većina najsuvremenijih 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 prijenos otvora uključuju Spiro-OMeTAD ili PEDOT: PSS , a tipični slojevi za prijenos elektrona uključuju Ti02 ili SnO2. Razumijevanje i optimizacija razina energije i interakcija različitih materijala na tim sučeljima nudi vrlo uzbudljivo područje istraživanja koje se još uvijek razmatra.
Glavna pitanja za izradu praktičnih uređaja za proizvodnju perovskitnih solarnih ćelija su kvaliteta i debljina filma. Sloj žetvenog (aktivnog) perovskita treba biti debljine nekoliko stotina nanometara - nekoliko puta više nego za standardne organske fotonaponske sustave , a stvaranje takvih debelih slojeva s visokom ujednačenosti može biti teško. Ukoliko se uvjeti taloženja i temperatura žarenja ne optimiziraju, nastaju grube površine s nepotpunom pokrivenošću. Čak i uz dobru optimizaciju, ostat će i dalje značajna površinska hrapavost. Stoga su potrebni deblji slojevi sučelja nego što bi se inače mogli koristiti. Poboljšanja kvalitete filma postignuta su različitim metodama. Jedan takav postupak je dodavanje malih količina kiselina, kao što je jodovodična ili bromovodična kiselina, o kojima se prethodno raspravljalo u pismu o čistoći MAI u odnosu na topljivost olovnog klorida , ili višak prekursora olovog jodida.
Zahvaljujući opsežnim istraživačkim naporima, postignuta je učinkovitost od preko 22% pomoću oblaganja centrifugom , a visoka učinkovitost je također postignuta korištenjem drugih tehnika za obradu otopine (kao što je premaz s utorom ). To upućuje na zaključak da je obrada perovskita u velikoj mjeri vrlo izvediva.
Budućnost Perovskita
Buduća istraživanja perovskita vjerojatno će se usredotočiti na smanjenje rekombinacije kroz strategije kao što su pasivizacija i smanjenje defekata, kao i na povećanje učinkovitosti kroz uključivanje 2D perovskita i bolje optimiziranih materijala sučelja. Slojevi za ekstrakciju naboja vjerojatno će se odmaknuti od organskih materijala do anorganskih, kako bi se poboljšala učinkovitost i stabilnost. Poboljšanje stabilnosti i smanjenje utjecaja olova na okoliš vjerojatno će i dalje biti značajna područja interesa.
Dok se komercijalizacija samostalnih perovskitnih solarnih ćelija još uvijek suočava s preprekama u smislu izrade i stabilnosti, njihova uporaba u tandemskim c-Si / perovskitnim stanicama ubrzano je napredovala (s postignutim djelotvornostima iznad 25%) i vjerojatno je da će perovskiti najprije vidjeti fotonaponsko tržište kao dio te strukture. Osim solarne energije, ostaje značajan potencijal za upotrebu perovskita u drugim primjenama, kao što su svjetleće diode i otporne uspomene.
Perovskite vodič za izradu videozapisa
Za one koji tek započinju svoje istraživanje perovskita, izradili smo video vodič koji prikazuje cijeli proces izrade i mjerenja perovskitnih fotonaponskih sustava. U vlastitim laboratorijima postigli smo učinkovitost 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 .
Proizvodi Ossile za solarne ćelije Perovskite
Ossilina nagrađivana platforma za izradu prototipova solarnih ćelija pruža primjerenu znanstvenu primjenu i utjecaj u istraživanju solarnih ćelija. To je koherentna zbirka podloga, materijala i ispitne opreme kao dio standardne standardne fotonaponske referentne arhitekture. To omogućuje istraživačima da proizvode visoko kvalitetne, potpuno funkcionalne solarne ćelije koje se mogu koristiti kao pouzdana polazna točka.
Kao sami istraživači i znanstvenici, razumijemo kako dugotrajno je stjecanje stručnosti za sve materijale, procese i tehnike potrebne za proizvodnju visokokvalitetnog uređaja - i kako unatoč vašim najboljim naporima, ponekad može dovesti do nekonzistentnih i ne - reproducibilni rezultati.
Razvili smo ovu platformu s ciljem da vam omogućimo da se usredotočite na svoje istraživanje (umjesto da dizajnirate / nabavite sve svoje komponente) i ponovite osnovnu izvedbu. Značajna prednost ove platforme je pružanje unaprijed oblikovanih ITO podloga i visoko-propusne opreme za obradu - što rezultira značajnim povećanjem brzine proizvodnje solarnih ćelija - čime se pomaže prikupiti više podataka, mnogo brže. Kao takva, može se testirati više vrsta novih materijala ili varijacija arhitekture i prikupiti više statističkih podataka - osiguravajući dosljednost i točnost.
Na najosnovnijoj razini, većina solarnih ćelija na bazi perovskita temelji se na prozirnoj staklenoj podlozi obloženoj prozirnim oksidom s isparanom metalnom katodom i gornjom inkapsulacijom. Kao takva, naša postojeća infrastruktura supstrata i perovskitni materijali se već koriste u visoko-učinkovitim perovskitnim uređajima koji se obrađuju rješenjima. Naš standardni epoksid za inkapsulaciju također je savršeno prikladan za laminiranje stakla ili drugih slojeva barijera - kao što se koristi u Snaithovom papiru iz 2014. godine Nature.
Ossila Spin Coater se rutinski koristi za odlaganje našeg sučelja i aktivnih slojeva uz visoku točnost i jednostavno rukovanje.
Vrlo koristan pratilac Spin Coatera (na slici iznad) je pumpa za špricu Ossila . Može se koristiti za automatsko doziranje i gašenje naših slojeva perovskita za dobivanje visokokvalitetnih filmova. Naši akademski kolege također su napravili uzbudljiv napredak na solovskim ćelijama perovskita obrađenim rješenjima preko premaza za sprej na naše standardne podloge. Nadalje, perovskit solarne ćelije su karakterizirane pomoću Ossila Solar Cell IV Test sustava , koji automatski izračunava metriku uređaja i može izvesti mjerenja stabilnosti.
I101 Perovskitna tinta dostupna iz Ossile. Pakiran je kao 10 pojedinačnih bočica koje sadrže 0,5 ml otopine. To je sposoban za oblaganje do 160 podloga. I101 se također može kupiti u rasutom stanju (30 ml), uz 25% popusta u usporedbi s našim standardnim veličinama narudžbe.
Tijekom proteklih mjeseci radili smo is našim akademskim suradnicima kako bi na tržište donijeli više proizvoda na bazi perovskita, uključujući: Metilamonij jodid visoke čistoće, metilamonijev bromid , formamidinij jodid i formamidinij bromid. Također smo izdali naš prvi set perovskit tinti, prvi od njih je I101 (MAI: PbCl 2 ), dizajniran je za obradu u zraku i pokazao učinkovitost u našim laboratorijima do 11,7%. Naša druga tinta, I201 (MAI: PbCl 2 : PbI 2 ) je za muliranje da se obrađuje u atmosferi dušika, i do sada smo vidjeli učinkovitost do 11,8%. Oba su tinte osmišljena kako bi pomogla našim klijentima da postignu visoku učinkovitost nevjerojatno brzo kada počnu sa svojim istraživanjima perovskita. Uključujemo optimizirane rutine obrade s obje tinte kako bismo maksimizirali rezultate.