Zdroj: ossila.com
Rýchle zlepšenie solárnych článkov perovskitu z nich urobilo rastúcu hviezdu sveta fotovoltaiky a veľký záujem akademickej obce. Keďže ich operačné metódy sú stále relatívne nové, existuje veľká príležitosť na ďalší výskum základnej fyziky a chémie okolo perovskitov. Okrem toho, ako sa ukázalo v posledných rokoch, technické zlepšenia prípravkov a postupov výroby perovskitov viedli k výraznému zvýšeniu účinnosti konverzie energie, pričom najnovšie zariadenia dosahujú k júnu 2018 viac ako 23%.
Čo sú Perovskiti?
Prečo sú perovskitové solárne články tak významné?
Aké problémy Perovskites tváre?
Výroba a meranie solárnych buniek perovskitov
Budúcnosť Perovskitov
Perovskite Výroba Video Guide
Ossila Produkty pre solárne články perovskite
Referencie
Ďalšie čítanie
Čo sú Perovskiti?
Termíny "perovskit" a "perovskitová štruktúra" sa často používajú zameniteľné. Technicky, perovskite je druh minerálu, ktorý bol prvýkrát nájdený v pohorí Ural a pomenovaný podľa Leva Perovského (ktorý bol zakladateľom Ruskej geografickej spoločnosti). Perovskitová štruktúra je akákoľvek zlúčenina, ktorá má rovnakú štruktúru ako perovskitový minerál.
Pravý perovskit (minerál) sa skladá z vápnika, titánu a kyslíka vo forme CaTiO 3 . Medzitým je perovskitová štruktúra čokoľvek, čo má generickú formu ABX 3 a rovnakú kryštalografickú štruktúru ako perovskit (minerál). Keďže však väčšina ľudí vo svete solárnych článkov sa nezaoberá minerálmi a geológiou, perovskitová a perovskitová štruktúra sa zamieňajú.
Usporiadanie perovskitovej mriežky je znázornené nižšie. Rovnako ako u mnohých štruktúr v kryštalografii, môže byť reprezentovaný viacerými spôsobmi. Najjednoduchší spôsob premýšľania o perovskite je ako veľký atómový alebo molekulárny katión (kladne nabitý) typu A v strede kocky. Rohy kocky sú potom obsadené atómami B (tiež kladne nabité katióny) a tváre kocky sú obsadené menším atómom X so záporným nábojom (anión).
Generická perovskitová kryštalická štruktúra formy ABX3. Všimnite si, že tieto dve štruktúry sú ekvivalentné - ľavá štruktúra je nakreslená tak, že atóm B je v polohe <0,0,0>, zatiaľ čo pravá štruktúra je nakreslená tak, že atóm (alebo molekula) A je < 0,0,0=""> poloha. Všimnite si tiež, že čiary sú vodítkom, ktoré reprezentujú orientáciu kryštálov, nie väzby.
V závislosti od toho, ktoré atómy / molekuly sú použité v štruktúre, perovskity môžu mať pôsobivé spektrum zaujímavých vlastností, vrátane supravodivosti, obrovskej magnetorezistencie, spinovo závislého transportu (spintronika) a katalytických vlastností. Perovskiti preto predstavujú vzrušujúce ihrisko pre fyzikov, chemikov a materiálových vedcov.
Perovskity boli prvýkrát úspešne použité v solárnych článkoch v tuhom stave v roku 2012, a od tej doby väčšina buniek použila nasledujúcu kombináciu materiálov v obvyklej perovskitovej forme ABX 3 :
A = organický katión - metylamónium (CH3NH3 + ) alebo formamidínium (NH2CHNH2 + )
B = veľký anorganický katión - zvyčajne olovo (II) (Pb 2+ )
X 3 = mierne menší halogénový anión - zvyčajne chlorid (Cl - ) alebo jodid (I - )
Pretože ide o relatívne všeobecnú štruktúru, tieto zariadenia na báze perovskitov môžu tiež mať niekoľko rôznych názvov, ktoré môžu odkazovať na všeobecnejšiu triedu materiálov alebo špecifickú kombináciu. Ako príklad sme vytvorili nižšie uvedenú tabuľku, ktorá zvýrazní, koľko názvov možno vytvoriť z jednej základnej štruktúry.
| B | X3 |
organo | kov | Trihalid (alebo trihalogenid) |
methylamonium | Lead | Jodid (alebo trijodid) |
olovičitanu | Chlorid (alebo trichlorid) |
Perovskite 'name-picking' tabuľka : Vyberte jednu položku zo stĺpcov A, B alebo X 3, aby ste prišli s platným názvom. Príklady zahŕňajú: Organo-olovo-chloridy, metylamónium-trihalogenidy kovov, organo-plumbát-jodidy atď.
Tabuľka demonštruje, aký veľký je priestor pre parametre pre potenciálne kombinácie materiálov / štruktúr, pretože existuje mnoho ďalších atómov / molekúl, ktoré by mohli byť nahradené pre každý stĺpec. Výber materiálových kombinácií bude rozhodujúci pre stanovenie optických a elektronických vlastností (napr. Bandgap a zodpovedajúce absorpčné spektrá, pohyblivosť, difúzne dĺžky atď.). Jednoduchá optimalizácia hrubou silou kombinatorickým skríningom v laboratóriu bude pravdepodobne veľmi neefektívna pri hľadaní dobrých perovskitových štruktúr.
Väčšina účinných perovskitov je založená na halogenidoch kovov zo skupiny IV (konkrétne olovo) a ich presahovanie sa ukázalo ako náročné. Je pravdepodobné, že na úplné preskúmanie rozsahu možných štruktúr perovskitov je potrebné hlbšie poznanie, než je v súčasnosti k dispozícii. Solárne články na báze olova na báze perovskitov sú obzvlášť dobré kvôli množstvu faktorov, vrátane silnej absorpcie vo viditeľnom režime, dlhých difúznych dĺžok nosiča nábojov, laditeľnej pásmovej medzery a ľahkej výroby (kvôli vysokej tolerancii chýb a vyššej tolerancii). schopnosť spracovávať pri nízkych teplotách).
Prečo sú perovskitové solárne články tak významné?
Existujú dva kľúčové grafy, ktoré demonštrujú, prečo perovskitové solárne články v krátkom čase od roku 2012 pritiahli tak výraznú pozornosť. Prvý z týchto grafov (ktorý využíva údaje získané z grafu účinnosti solárnych článkov NREL) 1 demonštruje účinnosť konverzie energie perovskitu v posledných rokoch v porovnaní so vznikajúcou technológiou fotovoltaického výskumu, ako aj tradičnými tenkovrstvovými fotovoltaikami.
Graf ukazuje nárast meteorického tlaku v porovnaní s väčšinou iných technológií za relatívne krátke časové obdobie. Počas 4 rokov od ich prelomu sa perovskitové solárne články vyrovnávali s účinnosťou teluridu kadmia (CdTe), ktorý je už viac ako 40 rokov. Okrem toho od júna 2018 prekročili všetky ostatné technológie, ktoré nie sú koncentrátormi tenkých vrstiev, vrátane CdTe a Copper Indium Gallium Selenide (CIGS). Hoci by sa dalo argumentovať, že v posledných rokoch bolo k dispozícii viac zdrojov a lepšia infraštruktúra pre výskum solárnych článkov, dramatický nárast účinnosti solárnych buniek perovskitov je stále neuveriteľne významný a pôsobivý.
Solárne články Perovskite zvýšili účinnosť premeny energie pri fenomenálnej rýchlosti v porovnaní s inými typmi fotovoltaiky. Hoci toto číslo predstavuje len "hrdinové bunky" založené na laboratóriách, ohlasuje veľký sľub.
Druhým kľúčovým grafom nižšie je napätie v otvorenom obvode v porovnaní s pásmovou medzerou pre celý rad technológií, ktoré súťažia s perovskitmi. Tento graf ukazuje, koľko energie fotónu sa stratí v procese premeny zo svetla na elektrinu. Pri štandardných solárnych článkoch na báze organickej bázy na báze excitónov môže byť táto strata až 50% absorbovanej energie, zatiaľ čo perovskitové solárne články pravidelne prekračujú 70% využitie fotónovej energie a majú potenciál byť ešte zvýšený. 4
To sa približuje hodnotám najmodernejších technológií (napríklad GaAs), ale za výrazne nižšie náklady. Kryštalické kremíkové solárne články, pravdepodobne najbližší komparátor perovskitov z hľadiska účinnosti a nákladov, sú už až 1000-krát lacnejšie ako najmodernejšie GaAs. 5 Perovskiti majú potenciál stať sa ešte lacnejším.
Maximálne využitie fotónovej energie (definované ako napätie s otvoreným okruhom Voc delené optickým bandgapom Eg) pre bežné systémy materiálových systémov s jedným spojom. Vypočítané zo stavu buniek uvedených v tabuľkách účinnosti NREL.
Aké problémy Perovskites tváre?
Najväčším problémom v oblasti perovskitov je v súčasnosti dlhodobá nestabilita. Ukázalo sa, že je to spôsobené degradačnými cestami zahŕňajúcimi vonkajšie faktory, ako je voda, svetlo a kyslík, a tiež v dôsledku vnútornej nestability, ako je degradácia pri zahrievaní, kvôli vlastnostiam materiálu. Prehľad príčin degradácie perovskitov nájdete v príručke Ossila.
Na zlepšenie stability bolo navrhnutých niekoľko stratégií, najúspešnejšie zmenou výberu komponentov. Ukázalo sa, že použitie systémov zmiešaných katiónov (napríklad zahrnutím anorganických katiónov, ako je rubídium alebo cézium) zlepšuje stabilitu a účinnosť. Prvé perovskitové bunky, ktoré prekročili 20% účinnosť, použili zmiešaný organický katiónový systém, a mnohé systémy s najvyššou účinnosťou publikované v poslednej dobe používajú anorganické zložky. Pohyb smerom k hydrofóbnym, UV-stabilným medzifázovým vrstvám tiež zlepšil stabilitu - napríklad nahradením Ti02 , ktorý je citlivý na UV degradáciu, stabilizáciou SnO2 sa tiež zlepšila pomocou povrchovej pasivácie a kombináciou 2D vrstiev (Ruddlesden-Popper) perovskitov (ktoré vykazujú lepšiu vnútornú stabilitu, ale horší výkon) s konvenčnými 3D perovskitmi. Toto úsilie (spolu s faktormi, ako je lepšie zapuzdrenie) výrazne zlepšili stabilitu perovskitov od ich prvého zavedenia a životnosť je na dobrej ceste k splneniu priemyselných štandardov - s nedávnymi prácami, ktoré ukazujú bunky schopné odolať 1000-hodinovému testu vlhkého tepla. Podrobnejšiu diskusiu o metódach na zlepšenie stability perovskitov pozri v príručke Ossila.
Konvenčný 3D perovskit (vľavo) v porovnaní s generickou 2D perovskitovou štruktúrou (vpravo).
Ďalším problémom, ktorý je ešte potrebné riešiť, je použitie olova v perovskitových zlúčeninách. Hoci sa používa v oveľa menších množstvách, než sú v súčasnosti prítomné v batériách na báze olova alebo kadmia, prítomnosť olova v produktoch určených na komerčné použitie je problematická. Stále pretrvávajú obavy z vystavenia toxickým zlúčeninám olova (prostredníctvom lúhovania perovskitu do životného prostredia) a niektoré štúdie naznačujú, že rozsiahle vykonávanie perovskitov by si vyžadovalo úplné obmedzenie degradačných produktov. Naproti tomu iné hodnotenia životného cyklu zistili, že vplyv olova na toxicitu je zanedbateľný v porovnaní s inými materiálmi v bunke (ako je katóda).
Existuje tiež potenciál pre použitie hlavnej alternatívy v solárnych článkoch perovskitov (ako sú perovskity na báze cínu), ale účinnosť konverzie energie takýchto zariadení je stále výrazne za zariadeniami na báze olova, čo je záznam o perovskite na báze cínu. v súčasnosti predstavuje 9,0%. Niektoré štúdie tiež dospeli k záveru, že cín môže mať v skutočnosti vyššiu environmentálnu toxicitu ako olovo, \ t a iné menej toxické alternatívy.
Ďalšou významnou otázkou z hľadiska výkonu je hysterézia prúdového napätia bežne pozorovaná v zariadeniach. Faktory ovplyvňujúce hysterézu sú stále predmetom diskusie, ale najčastejšie sa pripisujú migrácii mobilných iónov v kombinácii s vysokými úrovňami rekombinácie. Metódy na zníženie hysterézie zahŕňajú rôznu bunkovú architektúru, povrchovú pasiváciu a zvyšujúci sa obsah jodidu olovnatého, ako aj všeobecné stratégie na zníženie rekombinácie.
Aproximácia hysterézie prúdového napätia, s ktorou sa často stretávame v perovskitových solárnych článkoch.
Aby sa umožnilo skutočne nízke náklady na watt, perovskitové solárne články musia dosiahnuť mnohoraké trium s vysokou účinnosťou, dlhou životnosťou a nízkymi výrobnými nákladmi. Toto ešte nebolo dosiahnuté pre iné technológie tenkých filmov, ale zariadenia na báze perovskitov v súčasnosti vykazujú obrovský potenciál na dosiahnutie tohto cieľa.
Výroba a meranie solárnych buniek perovskitov
Hoci perovskity pochádzajú zo zdanlivo odlišného sveta kryštalografie, dajú sa veľmi ľahko začleniť do štandardnej architektúry OPV (alebo iného tenkého filmu). Prvé solárne články s perovskitovými solárnymi článkami boli založené na solárnych bunkách (DSSC), ktoré sú senzibilizované na báze farbiva, a tak boli použité mezoporézne lešenie TiO2. Mnohé bunky od tej doby nasledovali túto šablónu alebo použili skelet Al2O3 v „mezo-superštruktúrovanej“ architektúre, ale vysokoteplotné kroky potrebné na výrobu a UV nestabilita TiO2 viedli k zavedeniu podobnej „planárnej“ architektúry na iné tenkovrstvové bunky. Po niekoľkých rokoch zaostávania za mezoporóznymi bunkami z hľadiska účinnosti sú planárne perovskity takmer rovnako účinné.
Generické štruktúry konvenčných / invertovaných planárnych a mezoporóznych (konvenčných) perovskitových buniek.
Samotný perovskitový film sa typicky spracuje buď vo vákuu alebo v roztokoch. Kvalita filmu je veľmi dôležitá. Najprv sa pod vákuovo uloženými filmami dosiahli najlepšie zariadenia, ale tento proces vyžaduje spoločné odparovanie organickej (metylamóniovej) zložky v rovnakom čase ako anorganické zložky (halogenid olovnatého), čo si vyžaduje špecializované odparovacie komory, ktoré nie sú dostupné mnohým výskumníkom. , Výsledkom bolo značné úsilie o zlepšenie zariadení spracovaných v roztoku, pretože tieto sú jednoduchšie a umožňujú spracovanie pri nízkych teplotách a tieto sa teraz z hľadiska účinnosti zhodujú s bunkami uloženými vo vákuu.
Typicky je aktívna vrstva solárneho článku perovskitov uložená v jednom alebo dvoch krokoch. V jednostupňovom procese sa prekurzorový roztok (ako je zmes CH3NH3I a PbI2) potiahne, ktorý sa potom po zahriatí prevedie na perovskitový film. Variantom tohto spôsobu je metóda „antirozpúšťadla“, pri ktorej sa roztok prekurzora potiahne v polárnom rozpúšťadle a potom sa reakcia zastaví počas procesu zvlákňovania pomocou nepolárneho rozpúšťadla. Na dosiahnutie optimálneho výkonu je potrebné presné načasovanie ochladzovania a objemov kaliacich rozpúšťadiel. Aby sme vám pomohli, postavili sme injekčnú pumpu Ossila , ktorá nám umožnila využiť tento proces kalenia na to, aby sme presadili hodnoty efektívnej konverzie elektrickej energie vo vlastnej réžii nad 16%.
V dvojstupňovom postupe sa halogenid kovu (ako je PbI2) a organické zložky (ako je CH3NH3I) zvlákňujú v oddelených následných filmoch. Alternatívne môžu byť kovové halogenidové filmy potiahnuté a žíhané v komore naplnenej parou organickej zložky, známou ako "vákuovo podporovaný proces" (VASP).
Aproximácia metódy anti-solventného kalenia, ktorá sa často používa na poťahovanie perovskitov v jednostupňovom procese z prekurzorového roztoku.
Väčšina najmodernejších perovskitov je založená na transparentnej vodivej štruktúre oxid / ETL / Perovskite / HTL / kov, pričom ETL a HTL sa vzťahujú na vrstvy transportu elektrónov a dier. Typické transportné vrstvy dier zahŕňajú Spiro-OMeTAD alebo PEDOT: PSS a typické elektrónové transportné vrstvy zahŕňajú Ti02 alebo Sn02. Pochopenie a optimalizácia úrovní energie a interakcií rôznych materiálov na týchto rozhraniach ponúka veľmi vzrušujúcu oblasť výskumu, o ktorej sa stále diskutuje.
Hlavnými otázkami pre praktickú výrobu zariadení perovskitových solárnych článkov sú kvalita a hrúbka filmu. Vrstva perovskitovej (aktívna) perovskitová vrstva musí byť hrubá niekoľko stoviek nanometrov - niekoľkokrát viac ako pri štandardných organických fotovoltaických systémoch a vytvorenie takýchto hrubých vrstiev s vysokou jednotnosťou môže byť náročné. Ak nie sú optimalizované podmienky nanášania a teplota žíhania, vytvoria sa hrubé povrchy s neúplným pokrytím. Dokonca aj pri dobrej optimalizácii zostane stále značná drsnosť povrchu. Preto sú tiež potrebné hrubšie vrstvy rozhrania, ako by sa normálne mohli použiť. Zlepšenie kvality filmu sa dosiahlo prostredníctvom rôznych metód. Jedným takýmto spôsobom je pridanie malých množstiev kyselín, ako je kyselina jodovodíková alebo kyselina bromovodíková, predtým diskutovaných v postupoch o čistote MAI oproti rozpustnosti chloridu olovnatého , alebo nadbytku prekurzora jodidu olovnatého.
Prostredníctvom rozsiahleho výskumného úsilia sa dosiahlo viac ako 22% účinnosti použitím rotačného nanášania a vysoká účinnosť sa dosiahla aj pri použití iných techník spracovania roztokov (ako je napríklad štrbinová vrstva ). Z toho vyplýva, že spracovanie perovskitov vo veľkom meradle je veľmi uskutočniteľné.
Budúcnosť Perovskitov
Budúci výskum perovskitov sa pravdepodobne zameria na zníženie rekombinácie prostredníctvom stratégií, ako je pasivácia a redukcia defektov, ako aj zvýšenie účinnosti prostredníctvom zahrnutia 2D perovskitov a lepšie optimalizovaných materiálov rozhrania. Vrstvy s extrakciou nábojom sa pravdepodobne presunú z organických materiálov na anorganické, aby sa zlepšila tak účinnosť, ako aj stabilita. Zlepšenie stability a zníženie vplyvu olova na životné prostredie bude pravdepodobne aj naďalej významnými oblasťami záujmu.
Zatiaľ čo komercializácia samostatných perovskitových solárnych článkov stále čelí prekážkam z hľadiska výroby a stability, ich použitie v tandemových c-Si / perovskitových bunkách rýchlo napreduje (s dosiahnutou účinnosťou nad 25%) a je pravdepodobné, že perovskiti uvidia najprv FV trh ako súčasť tejto štruktúry. Okrem slnečného žiarenia zostáva aj naďalej významný potenciál pre použitie perovskitov v iných aplikáciách, ako sú svetelné diódy a odporové pamäte.
Perovskite Výroba Video Guide
Pre tých, ktorí práve začínajú výskum perovskitov, sme vytvorili videopríručku, ktorá demonštruje celý proces výroby a merania perovskitových fotovoltaík. V našich vlastných laboratóriách sme dosiahli efektívnosť viac ako 11% s použitím tejto konkrétnej výrobnej rutiny. Nižšie uvedené video obsahuje starší, prerušený model Ossila Spin Coater - ak chcete vidieť aktuálny model, môžete navštíviť stránku produktu.
Ossila Produkty pre solárne články perovskite
Ocenená platforma Solar Cell Prototyping Platform Ossila poskytuje príkladnú vedeckú aplikáciu a vplyv na výskum solárnych článkov. Je to koherentný súbor substrátov, materiálov a skúšobných zariadení ako súčasť vysoko výkonnej štandardnej fotovoltaickej referenčnej architektúry. Umožňuje výskumníkom vyrábať vysokokvalitné, plne funkčné solárne články, ktoré môžu byť použité ako spoľahlivý základ.
Ako sami výskumníci a vedci chápeme, ako je časovo náročné získať odborné znalosti o všetkých materiáloch, procesoch a technikách potrebných na výrobu vysokokvalitného zariadenia - a ako aj napriek vášmu najlepšiemu úsiliu môže niekedy viesť k nekonzistentnosti a nedôslednosti. -výkonné výsledky.
Túto platformu sme vyvinuli s cieľom umožniť vám zamerať sa na váš výskum (namiesto navrhovania / získavania všetkých vlastných komponentov) a replikovať výkonnostnú líniu. Významným prínosom tejto platformy je poskytovanie vopred vzorovaných ITO substrátov a vysoko výkonných spracovateľských zariadení - čo vedie k výraznému zvýšeniu rýchlosti výroby zariadení so solárnymi článkami - čo vám pomôže zbierať viac údajov oveľa rýchlejšie. Ako také možno testovať viac typov nových materiálov alebo variácií architektúry a získať viac štatistických údajov - čím sa zabezpečí konzistentnosť a presnosť.
Na najzákladnejšej úrovni je väčšina solárnych článkov na báze perovskitov založená na sklenenom substráte potiahnutom transparentným vodivým oxidom s odparenou kovovou katódou a horným zapuzdrením. Naša existujúca substrátová infraštruktúra a perovskitové materiály sa už používajú vo vysoko výkonných perovskitových zariadeniach spracovaných v roztoku. Náš štandardný enkapsulačný epoxid sa tiež dokonale hodí na laminovanie skla alebo iných bariérových vrstiev - ako sa používa v papieri Snaith 2014 Nature.
Ossila Spin Coater sa rutinne používa na ukladanie nášho rozhrania a aktívnych vrstiev s vysokou presnosťou a jednoduchou obsluhou.
Veľmi užitočným spoločníkom Spin Coater (na obrázku vyššie) je Ossila striekačka . Môže sa použiť na automatické dávkovanie a kalenie našich perovskitových vrstiev na získanie vysoko kvalitných filmov. Aj naši akademickí kolegovia urobili na našich štandardných substrátoch určitý vzrušujúci pokrok v oblasti solných článkov perovskitu spracovaných v roztoku. Okrem toho sa perovskitové solárne články charakterizujú pomocou testovacieho systému Ossila Solar Cell IV , ktorý automaticky vypočíta metriky zariadenia a môže vykonávať merania stability.
I101 Perovskitový atrament dostupný od Ossila. Je balený ako 10 jednotlivých injekčných liekoviek obsahujúcich 0,5 ml roztoku. To je schopné pokryť až 160 substrátov. I101 je možné zakúpiť aj vo veľkom (30 ml) s 25% zľavou oproti štandardným veľkostiam objednávok.
V posledných mesiacoch sme tiež spolupracovali s našimi akademickými spolupracovníkmi, aby sme uviedli na trh viac produktov na báze perovskitov, medzi ktoré patria: vysoko čistý metylamóniumjodid, metylamóniumbromid , formamidíniumjodid a formamidíniumbromid. Tiež sme vydali našu prvú sadu perovskitových atramentov, prvá z nich je I101 (MAI: PbCl 2 ), je určená na spracovanie vo vzduchu a preukázala účinnosť v našich laboratóriách až do 11,7%. Náš druhý atrament, I201 (MAI: PbCl2: PbI 2 ) je určený na spracovanie v dusíkovej atmosfére a doteraz sme zaznamenali účinnosť až 11,8%. Oba atramenty sú navrhnuté tak, aby pomohli našim zákazníkom dosiahnuť vysokú efektivitu neuveriteľne rýchlo, keď začínajú s výskumom perovskitov. K optimalizácii výsledkov patrí optimalizované spracovanie rutiny s oboma atramentmi.
