Източник: ossila.com
Бързото подобрение на перовскитните слънчеви клетки ги превърна в изгряваща звезда на света на фотоволтаиците и представлява огромен интерес за академичната общност. Тъй като оперативните им методи все още са сравнително нови, има голяма възможност за по-нататъшно изследване на основната физика и химия около перовските. Освен това, както беше показано през последните няколко години, инженерните подобрения на перовскитните формули и производствените процедури доведоха до значително увеличаване на ефективността на преобразуване на енергия, като последните устройства достигнаха над 23%, към юни 2018 година.
Какво представляват перовските?
Защо перовскитните соларни клетки са толкова значими?
Какви са проблемите с Перовскиците?
Изработване и измерване на перовскитни слънчеви клетки
Бъдещето на перовските
Пътеводител за пероскитски изработки
Продукти от Ossila за Perovskite соларни клетки
Препратки
Допълнителна информация
Какво представляват перовските?
Термините "перовскит" и "перовскитна структура" често се използват взаимозаменяемо. Технически, перовскитът е вид минерал, който за първи път е открит в Урал и е кръстен на Лев Перовски (основател на Руското географско дружество). Перовскитната структура е всяко съединение, което има същата структура като перовскитния минерал.
Истинският перовскит (минерал) се състои от калций, титан и кислород под формата на CaTiO 3 . Междувременно, перовскитната структура е всичко, което има родова форма ABX 3 и същата кристалографска структура като перовскита (минерала). Въпреки това, тъй като повечето хора в света на слънчевите клетки не се занимават с минерали и геология, перовскит и перовскит структура се използват взаимозаменяемо.
Режимът на перовскитовата решетка е показан по-долу. Както при много структури в кристалографията, той може да бъде представен по много начини. Най-простият начин да се мисли за перовскит е като голям атомна или молекулна катион (положително заредена) от тип А в центъра на куба. Тогава ъглите на куба са заети от атоми В (също и положително заредени катиони), а лицата на куба са заети от по-малък атом X с отрицателен заряд (анион).
Обща перовскитна кристална структура на формата ABX3. Отбележете, че двете структури са еквивалентни - лявата структура е съставена така, че атом B да е в положение <0,0,0>, докато дясната структура е така, че атомът (или молекулата) А да е в < 0,0,0=""> позиция. Също така имайте предвид, че линиите са ръководство, което представя ориентацията на кристала, а не моделите на свързване.
В зависимост от това кои атоми / молекули се използват в структурата, перовскитите могат да имат внушителен набор от интересни свойства, включително свръхпроводимост, гигантско магнитосъпротивление, спин-зависим транспорт (спинтроника) и каталитични свойства. Следователно перовските представляват вълнуваща площадка за физици, химици и учени по материали.
Първоначално перовскитите се използват успешно в твърди соларни клетки през 2012 г., и оттогава повечето клетки са използвали следната комбинация от материали в обичайната перовскитна форма ABX 3 :
А = органичен катион - метиламоний (CH3NH3 + ) или формамидиниум (NH2CHNH2 + )
B = Голям неорганичен катион - обикновено олово (II) (Pb 2+ )
X 3 = малко по-малък халогенен анион - обикновено хлорид (Cl - ) или йодид (I - )
Тъй като това е относително обща структура, тези перовскит-базирани устройства също могат да получат редица различни имена, които могат да се отнасят до по-общ клас материали или специфична комбинация. Като пример за това сме създали таблицата по-долу, за да подчертаем колко имена могат да бъдат формирани от една основна структура.
А | B | X 3 |
Органично | метал | Трихалид (или трихалогенид) |
Метиламониев | Водя | Йодид (или трийодид) |
Plumbate | Хлорид (или трихлорид) |
Перовскитската таблица за избор на име : Изберете някое от елементите от колони A, B или X 3, за да получите валидно име. Примерите включват: органични оловни хлориди, метиламониево-метални трихалиди, органо-плум-йод-йодиди и др.
Таблицата показва колко голямо е пространството за параметри за потенциални комбинации материал / структура, тъй като има много други атоми / молекули, които могат да бъдат заместени за всяка колона. Изборът на комбинации от материали ще бъде от решаващо значение за определяне както на оптичните, така и на електронните свойства (напр. Обхват и съизмерими абсорбционни спектри, подвижност, дължини на дифузия и др.). Обикновената груба оптимизация чрез комбиниран скрининг в лабораторията е много неефективна при намирането на добри перовскитни структури.
По-голямата част от ефикасните перовскити се основават на метални халогениди от група IV (по-специално, оловен), а преминаването отвъд това се оказа трудно. Вероятно са необходими по-задълбочени познания от наличните понастоящем, за да се проучи напълно обхвата на възможните перовскитни структури. Слънчевите клетки на базата на оловни перовскити са особено добри поради редица фактори, включително силна абсорбция във видимия режим, дълги дължини на дифузия на заряд-носител, регулируема ширина на лентата и лесно производство (поради високата толерантност към дефектите и способност за обработка при ниски температури).
Защо перовскитните соларни клетки са толкова значими?
Има два ключови графики, които показват защо перовскитните слънчеви клетки са привлекли такова голямо внимание в краткото време след 2012 г. Първата от тези графики (която използва данни от таблицата за ефективност на слънчевите клетки NREL) 1 показва ефективността на преобразуване на енергията на перовскита базирани устройства през последните години, в сравнение с появяващата се фотоволтаична технология за изследване, както и традиционните тънкослойни фотоволтаици.
Графиката показва метеорично покачване в сравнение с повечето други технологии за сравнително кратък период от време. В рамките на 4 години от техния пробив, перовскитните слънчеви клетки се равняват на ефективността на кадмиевия телурид (CdTe), който съществува от повече от 40 години. Освен това, към юни 2018 г. те вече са надхвърлили всички други технологии за тънкослойни, неконцентриращи технологии - включително CdTe и медния индиев галиев селенид (CIGS). Въпреки че може да се твърди, че през последните няколко години са налице повече ресурси и по-добра инфраструктура за изследване на слънчеви клетки, драматичното повишаване на ефективността на перовските соларни клетки е все още невероятно значимо и впечатляващо.
Перовскитните слънчеви клетки са се увеличили в ефективността на преобразуване на мощността с феноменален темп в сравнение с други видове фотоволтаици. Въпреки, че тази цифра представлява само лабораторно базирана "геройна клетка", тя предвещава голямо обещание.
Втората ключова графика по-долу е напрежението в отворената верига в сравнение с интервала на лентата за редица технологии, които се конкурират с перовскитите. Тази графика показва колко енергия от фотона се губи в процеса на преобразуване от светлина към електричество. За стандартните слънчеви клетки, базирани на екситонни органични основи, тази загуба може да достигне до 50% от абсорбираната енергия, докато перовскитните слънчеви клетки редовно надвишават 70% енергийна ефективност на фотоните и имат потенциал да бъдат увеличени още повече. 4
Това се доближава до стойностите на съвременните технологии (като GaAs), но на значително по-ниска цена. Кристалните силициеви слънчеви клетки, може би най-близкото сравнение с перовскитите по отношение на ефективност и цена, вече са до 1000 пъти по-евтини от съвременните GaAs. 5 Перовските имат потенциала да станат още по-евтини от това.
Максималното оползотворяване на енергията на фотоните (дефинирано като напрежението на отворената верига Voc, разделено от оптичния обхват Eg) за общите материални системи за единични слънчеви клетки. Изчислена от най-съвременните клетки, описани в таблиците за ефективност на NREL.
Какви са проблемите с Перовскиците?
Най-големият проблем в областта на перовските в момента е дългосрочната нестабилност. Показано е, че това се дължи на пътища на разграждане, включващи външни фактори, като вода, светлина и кислород, и също така като резултат от присъщата нестабилност, като разграждане при нагряване, поради свойствата на материала. За преглед на причините за деградацията на перовските, вижте ръководството на Ossila.
Предложени са няколко стратегии за подобряване на стабилността, най-успешно чрез промяна на избора на компонент. Показано е, че използването на смесени катионни системи (например чрез включване на неорганични катиони като рубидий или цезий) подобрява стабилността и ефективността. Първите перовскитни клетки надвишават 20% ефективност, като се използва смесена органична катионна система, и много от най-ефективните системи, публикувани наскоро, използват неорганични компоненти. Движението към хидрофобни, UV-стабилни междуфазови слоеве също има подобрена стабилност - например чрез заместване на TiO 2 , който е податлив на UV деградация, със стабилност SnO 2 също е подобрена чрез използване на повърхностна пасивация и чрез комбиниране на 2D-пластови (Ruddlesden-Popper) перовскити (които показват по-добра вътрешна стабилност, но по-лошо изпълнение) с конвенционалните 3D перовскити. Тези усилия (заедно с фактори като по-добро капсулиране) значително са подобрили стабилността на перовскитите след тяхното първоначално въвеждане, а продължителността на живота им е на път да отговорят на промишлените стандарти - с неотдавнашната работа, показваща клетки, способни да издържат на 1000-часово влажно изпитване. За по-задълбочено обсъждане на методите за подобряване на перовскитната стабилност , вижте ръководството на Ossila.
Конвенционален 3D перовскит (вляво) в сравнение с обща 2D перовскитна структура (вдясно).
Друг въпрос, който предстои да бъде разгледан напълно, е използването на олово в перовскитните съединения. Въпреки че се използва в много по-малки количества от тези, които понастоящем се съдържат в батерии на основата на олово или кадмий, наличието на олово в продукти за търговска употреба е проблематично. Все още остават притеснения относно излагането на токсични оловни съединения (чрез извличане на перовскита в околната среда), а някои проучвания сочат, че мащабното прилагане на перовскити ще изисква пълно ограничаване на продуктите от разграждането. За разлика от това, други оценки на жизнения цикъл са установили, че токсичното въздействие на оловото е незначително в сравнение с други материали в клетката (като катода).
Съществува също така потенциал за водеща алтернатива, която да се използва в перовскитните слънчеви клетки (като например перовскити на калаена основа), но ефективността на преобразуване на енергията на такива устройства все още е значително по-голяма в сравнение с устройствата, базирани на олово, с рекорд за перовскит в момента е 9,0%. Някои проучвания също така заключиха, че калай може в действителност да има по-висока токсичност за околната среда от оловото, и се изискват други по-малко токсични алтернативи.
Друг основен проблем по отношение на производителността е хистерезисът на токовото напрежение, който обикновено се наблюдава в устройствата. Факторите, влияещи върху хистерезиса, все още се дебатират, но най-често се дължат на миграцията на мобилни йони в комбинация с високи нива на рекомбинация. Методите за намаляване на хистерезиса включват различна архитектура на клетките, пасивация на повърхността и увеличаване на съдържанието на оловен йодид, както и общи стратегии за намаляване на рекомбинацията.
Апроксимация на токовото напрежение хистерезис често срещани в perovskite слънчеви клетки.
За да се даде възможност за наистина ниска цена на ват, перовскитните слънчеви клетки трябва да са постигнали многобройните трио с висока ефективност, дълъг живот и ниски производствени разходи. Това все още не е постигнато за други тънкослойни технологии, но устройствата, базирани на перовскит, в момента показват огромен потенциал за постигане на това.
Изработване и измерване на перовскитни слънчеви клетки
Въпреки че перовскитите идват от един привидно различен свят на кристалография, те могат да бъдат включени много лесно в стандартна OPV (или друга тънкослойна) архитектура. Първите перовскитни слънчеви клетки се основават на сензорно-чувствителни слънчеви клетки (DSSC) в твърдо състояние и така се използва мезопорест TiO 2 скеле. Много клетки, след като са следвали този шаблон или са използвали Al 2 O 3 скеле в "мезо-суперструктурирана" архитектура, но високите температурни стъпки, необходими за производството, и UV нестабилността на TiO 2 , са довели до въвеждането на "равнинна" архитектура към други тънкослойни клетки. След няколко години изоставане от мезопорестите клетки по отношение на ефективността, равнинните перовскити сега са почти толкова ефективни.
Генерични структури на конвенционални / обърнати равнинни и мезопорести (конвенционални) перовскитни клетки.
Самият перовскитов филм обикновено се обработва или чрез вакуум, или с разтвор. Качеството на филмите е много важно. Първоначално, вакуумно отлаганите филми дават най-добрите устройства, но този процес изисква съвместно изпаряване на органичния (метиламониев) компонент едновременно с неорганичните (оловен халогенид) компоненти, което изисква специализирани камери за изпарение, които не са достъпни за много изследователи. , В резултат на това са положени значителни усилия за подобряване на устройствата, обработени с разтвор, тъй като те са по-прости и позволяват обработка с ниска температура, а сега те са равни на вакуумирани клетки по отношение на ефективността.
Обикновено, активният слой на перовскит слънчева клетка се отлага чрез един или два етапа. В едноетапния процес се нанася прекурсорен разтвор (такъв като смес от СНЗ NH3 1 и PbI 2 ), който след това се превръща в перовскитовия филм при нагряване. Вариация на това е методът "антиразтворител", при който разтворът на прекурсора се покрива в полярен разтворител и след това се охлажда по време на процеса на центрофугиране чрез неполярен разтворител. Необходими са точни времена на охлаждане и обеми на охлаждащите разтворители, за да се постигнат оптимални характеристики. За да подпомогнем това, построихме шприцовата помпа Ossila , която ни позволи да използваме този процес на закаляване, за да накараме вътрешните енергийни коефициенти за преобразуване на енергия да надвишат 16%.
В двуетапния процес, метален халогенид (като PbI2) и органични компоненти (такива като CH3NH3I) са покрити със спин в отделни, следващи филми. Алтернативно, метални халидни филми могат да бъдат покрити и закалени в камера, пълна с пари от органичен компонент, известна като "процес на разреждане с вакуум" (VASP).
Апроксимация на метода за охлаждане с анти-разтворител, често използван за покриване на перовскити в едноетапен процес от разтвор на прекурсор.
Повечето съвременни перовскити се основават на прозрачна проводима оксидна / ETL / Perovskite / HTL / метална конструкция, при което ETL и HTL се отнасят съответно до електронен транспорт и слоеве транспорт. Типични слоеве за транспортиране на отвори включват Spiro-OMeTAD или PEDOT: PSS , а типичните за транспорта на електрони слоеве включват Ti02 или SnO2. Разбирането и оптимизирането на енергийните нива и взаимодействието на различни материали в тези интерфейси предлага много вълнуваща област от изследвания, която все още се обсъжда.
Основните въпроси за практическото изработване на перовскитните слънчеви клетки са качеството и дебелината на филма. Лекотоварният (активен) перовскитов слой трябва да бъде с дебелина няколкостотин нанометра - няколко пъти повече, отколкото при стандартните фотоволтаични системи , а създаването на такива дебели слоеве с висока еднородност може да бъде трудно. Освен ако условията на отлагане и температурата на отгряване не са оптимизирани, ще се образуват необработени повърхности с непълно покритие. Дори и при добра оптимизация остава значителна грапавост на повърхността. Затова се изискват и по-дебели слоеве на интерфейса, отколкото обикновено се използват. Подобренията в качеството на филмите са постигнати чрез различни методи. Един такъв метод е добавянето на малки количества киселини, такива като хидройодна или бромоводородна киселина, предварително обсъдени в публикация за чистотата на MAI спрямо разтворимостта на оловен хлорид или излишък на прекурсор на оловен йодид.
Чрез обширни изследователски усилия са постигнати ефективност от над 22% чрез използване на центрофугиращо покритие и е постигната висока ефективност при използване на други техники за преработка на разтвори (като например покритие с отвори ). Това предполага, че мащабната обработка на перовскити е много осъществима.
Бъдещето на перовските
Бъдещите изследвания на перовскитите вероятно ще се съсредоточат върху намаляване на рекомбинацията чрез стратегии като пасивиране и намаляване на дефектите, както и повишаване на ефективността чрез включване на 2D перовскити и по-добре оптимизирани интерфейсни материали. Слоевете за екстракция на зареждане вероятно ще се отдалечат от органични материали към неорганични, за да подобрят ефективността и стабилността. Подобряването на стабилността и намаляването на въздействието на оловото върху околната среда вероятно ще продължат да бъдат значими области от интерес.
Докато комерсиализацията на самостоятелните перовскитни слънчеви клетки все още се сблъсква с пречки по отношение на производството и стабилността, тяхното използване в тандемни клетки c-Si / perovskite се развива бързо (с постигнати ефективности над 25%) и е вероятно перовскитите първо да видят фотоволтаичния пазар като част от тази структура. Освен слънчевата енергия, остава значителен потенциал за използване на перовскити в други приложения, като например светодиоди и съпротивителни спомени.
Пътеводител за пероскитски изработки
За тези, които само започват своето перовскитно изследване, ние създадохме видео ръководство, което демонстрира целия процес на изработване и измерване на перовскит фотоволтаици. В нашите собствени лаборатории постигнахме ефективност, надвишаваща 11%, използвайки тази специфична рутинна процедура. Видеото по-долу съдържа по-стар, преустановен модел на Ossila Spin Coater - за да видите текущия модел, можете да посетите продуктовата страница тук .
Продукти от Ossila за Perovskite соларни клетки
Наградената с награда платформа за генериране на слънчеви клетки на Ossila предоставя примерни научни приложения и въздействие в изследванията на слънчевите клетки. Това е последователна колекция от субстрати, материали и изпитвателно оборудване като част от стандартна стандартна фотоволтаична референтна архитектура. Тя дава възможност на изследователите да произвеждат висококачествени, напълно функционални слънчеви клетки, които могат да бъдат използвани като надеждна база.
Като самите учени и учени, ние разбираме колко отнемащо време е да придобием опит с всички материали, процеси и техники, необходими за производството на висококачествено устройство - и как въпреки вашите най-добри усилия, понякога може да доведе до непоследователни и несъвместими възпроизводими резултати.
Ние разработихме тази платформа с цел да ви дадем възможност да се съсредоточите върху вашите изследвания (вместо да проектирате / снабдявате всички ваши собствени компоненти) и да повторите базовата характеристика. Значителна полза от тази платформа е осигуряването на предварително оформени ITO субстрати и високопроизводително оборудване за обработка - което води до значително увеличаване на производствения капацитет на соларните устройства - по този начин ви помага да съберете повече данни, много по-бързо. Като такива, могат да бъдат тествани повече видове нови материали или варианти на архитектурата и да могат да се събират повече статистически данни - гарантирайки последователност и точност.
На най-основно ниво, повечето слънчеви клетки, базирани на перовскит, се основават на прозрачна стъклена подложка с покритие от проводящ оксид с изпарен метален катод и горно капсулиране. Като такава, съществуващата субстратна инфраструктура и перовскитните материали вече се използват в високоефективни перовскитни устройства, обработени с разтвор. Нашият стандартен капсулиращ епоксид също е идеален за ламиниране на стъкло или други бариерни слоеве - както се използва в хартията на Snaith 2014 Nature.
Ossila Spin Coater обикновено се използва за отлагане на нашия интерфейс и активни слоеве с висока точност и проста работа.
Много полезен спътник на Spin Coater (на снимката по-горе) е спринцовата помпа Ossila . Може да се използва за автоматично дозиране и охлаждане на нашите перовскитни слоеве за получаване на висококачествени филми. Нашите академични колеги също направиха вълнуващ прогрес в перовскитните соларни клетки, обработени с разтвор, чрез нанасяне на покритие върху нашите стандартни субстрати. Освен това, перовскитните слънчеви клетки се характеризират с помощта на Ossila Solar Cell IV Test System , която автоматично изчислява показателите на устройствата и може да извършва измервания на стабилността.
I101 Перовскитово мастило от Ossila. Опакован е като 10 отделни флакона, съдържащи 0,5 ml разтвор. Той може да покрива до 160 субстрата. I101 може да се закупи и в насипно състояние (30 мл), с 25% отстъпка в сравнение с нашите стандартни размери на поръчка.
През последните месеци ние също работихме с нашите академични сътрудници, за да внесем на пазара повече продукти, базирани на перовскит, включително: метиламониев йодид с висока чистота, метиламониев бромид , формамидинов йодид и формамидинов бромид. Също така пуснахме първия си комплект перовскитни мастила, първият от които е I101 (MAI: PbCl 2 ), който е проектиран да се обработва във въздуха и е показал ефективност в нашите лаборатории до 11,7%. Второто ни мастило, I201 (MAI: PbCl 2 : PbI 2 ) е предназначено за обработка в азотна атмосфера и досега сме виждали ефективност до 11,8%. И двете мастила са създадени, за да помогнат на нашите клиенти да постигнат висока ефективност невероятно бързо, когато започват с проучванията на перовскитите. Включваме оптимизирани процеси за обработка с двете мастила, за да увеличим резултатите.
