Kilde: osila.com
Den hurtige forbedring af perovskite solceller har gjort dem til den stigende stjerne i fotovoltaik verden og af stor interesse for det akademiske samfund. Da deres driftsmetoder stadig er relativt nye, er der stor mulighed for yderligere forskning i grundfysik og kemi omkring perovskites. Som det har vist sig i de sidste par år har de tekniske forbedringer af perovskite formuleringer og fabrikationsrutiner medført betydelige stigninger i effektomformingseffektiviteten, idet de seneste enheder nåede over 23% fra juni 2018.
Hvad er Perovskites?
Hvorfor er Perovskite solceller så betydningsfulde?
Hvilke spørgsmål gør Perovskites Face?
Fremstilling og måling af Perovskite solceller
Perovskites fremtid
Perovskite Fabrication Video Guide
Ossila produkter til perovskite solceller
Referencer
Yderligere læsning
Hvad er Perovskites?
Begreberne "perovskite" og "perovskite struktur" anvendes ofte udveksling. Teknisk set er en perovskit en type mineral, der først blev fundet i Uralbjergene og opkaldt efter Lev Perovski (som var grundlæggeren af det russiske geografiske samfund). En perovskitstruktur er enhver forbindelse, der har samme struktur som perovskitmineralet.
Sand perovskit (mineral) består af calcium, titanium og oxygen i form CaTiO 3 . I mellemtiden er en perovskitstruktur noget, der har den generiske form ABX 3 og den samme krystallografiske struktur som perovskit (mineral). Men da de fleste mennesker i solcelleverdenen ikke er involveret i mineraler og geologi, anvendes perovskit og perovskitstruktur interchangeably.
Perovskite gitter arrangementet er demonstreret nedenfor. Som med mange strukturer i krystallografi kan den repræsenteres på flere måder. Den enkleste måde at tænke på en perovskit er som en stor atom eller molekylær kation (positivt ladet) af type A i midten af en terning. Kubens hjørner optages derefter af atomer B (også positivt ladede kationer), og kubens overflader optages af et mindre atom X med negativ ladning (anion).
En generisk perovskit krystalstruktur af form ABX3. Bemærk at de to strukturer er ækvivalente - den venstre struktur er tegnet således, at atom B er i positionen <0,0,0>, mens den højre struktur er tegnet således at atom (eller molekyle) A er ved < 0,0,0=""> position. Bemærk også, at linjerne er en vejledning til at repræsentere krystalorientering snarere end bindingsmønstre.
Afhængigt af hvilke atomer / molekyler der anvendes i strukturen, kan perovskites have et imponerende udvalg af interessante egenskaber, herunder superledningsevne, kæmpe magnetoresistance, spin-afhængig transport (spintronics) og katalytiske egenskaber. Perovskites repræsenterer derfor en spændende legeplads for fysikere, kemikere og materialforskere.
Perovskites blev først succesfuldt brugt i solceller i solceller i 2012, og siden da har de fleste celler brugt følgende kombination af materialer i den sædvanlige perovskitform ABX 3 :
A = En organisk kation-methylammonium (CH3NH3 + ) eller formamidinium (NH2CHNH2 + )
B = En stor uorganisk kation - normalt bly (II) (Pb 2+ )
X 3 = En lidt mindre halogenanion - normalt chlorid (Cl-) eller iodid (I - )
Da dette er en relativt generel struktur, kan disse perovskite-baserede enheder også fås en række forskellige navne, som enten kan henvise til en mere generel klasse af materialer eller en bestemt kombination. Som et eksempel på dette har vi lavet nedenstående tabel for at fremhæve, hvor mange navne der kan dannes fra en grundlæggende struktur.
EN | B | X 3 |
organo | Metal | Trihalid (eller trihalid) |
methylammonium- | At føre | Iodid (eller triiodid) |
Plumbate | Chlorid (eller trichlorid) |
Perovskite 'name-picking'-bordet : Vælg et element fra kolonnerne A, B eller X 3 for at komme med et gyldigt navn. Eksempler omfatter: organo-blychlorider, methylammonium-metal-trihalider, organo-plumbat-iodider etc.
Tabellen viser, hvor stor parameterpladsen er for potentielle materialekombinationer, da der er mange andre atomer / molekyler, som kan erstattes af hver søjle. Valget af materialekombinationer er afgørende for at bestemme både de optiske og elektroniske egenskaber (fx bandgap og tilsvarende absorptionsspektre, mobilitet, diffusionslængder mv.). En simpel brute-force optimering ved kombinationsscreening i laboratoriet vil sandsynligvis være meget ineffektiv til at finde gode perovskite strukturer.
Størstedelen af effektive perovskites er baseret på gruppe IV (specifikt bly) metalhalogenider, og det har vist sig at være udfordrende at bevæge sig ud over dette. Det er sandsynligvis mere dybtgående viden end det, der er til rådighed for øjeblikket, for at udforske omfanget af mulige perovskite strukturer. Blybaserede perovskitbaserede solceller er særligt gode på grund af en række faktorer, herunder stærk absorption i det synlige regime, lange ladningsbærer-diffusionslængder, et indstilleligt båndgab og nem fremstilling (på grund af den høje defekttolerance og evne til at behandle ved lave temperaturer).
Hvorfor er Perovskite solceller så betydningsfulde?
Der er to nøglegrafer, der viser, hvorfor perovskite solceller har tiltrukket sig så fremtrædende opmærksomhed på kort tid siden 2012. Den første af disse grafer (som bruger data taget fra NREL solcelleffektivitetsdiagrammet) 1 demonstrerer perovskites effektomdannelseseffektivitet baserede enheder i de seneste år i forhold til den fremvoksende solcelleforskningsteknologi og også traditionelle tyndfilm-fotovoltaik.
Grafen viser en meteorisk stigning i forhold til de fleste andre teknologier over en relativt kort periode. Inden for 4 år efter deres gennembrud havde perovskite solceller lig med effektiviteten af Cadmium Telluride (CdTe), som har eksisteret i over 40 år. Desuden har de fra juni 2018 nu overskredet alle andre tyndfilm, ikke-koncentratorteknologier - herunder CdTe og Copper Indium Gallium Selenide (CIGS). Selv om det kunne argumenteres for, at der er været flere ressourcer og bedre infrastruktur til solcelleforskning i de sidste par år, er den dramatiske stigning i perovskite solcelleffektivitet stadig utrolig betydelig og imponerende.
Perovskite solceller er steget med effektkonvertering effektivitet til en fænomenal sammenligning med andre typer af solceller. Selvom denne figur kun repræsenterer lab-baserede "heltceller", hylder det et stort løfte.
Den anden nøglediagram nedenfor er spændingsspændingen i forhold til båndgabet for en række teknologier, der konkurrerer mod perovskites. Denne graf viser, hvor meget af en fotons energi der går tabt i konverteringsprocessen fra lys til elektricitet. For standardbaserede excitonbaserede, organiske baserede solceller kan dette tab være så højt som 50% af den absorberede energi, mens perovskite solceller regelmæssigt overstiger 70% fotonanvendelse og har potentialet til at øges endnu mere. 4
Dette nærmer sig værdierne af state-of-the-art teknologier (såsom GaAs), men til en betydeligt lavere pris. Krystallinske silicium solceller, uden tvivl den nærmeste komparator til perovskites med hensyn til effektivitet og omkostninger, er allerede op til 1000 gange billigere end topmoderne GaAs. 5 Perovskites har potentialet til at blive endnu billigere end dette.
Den maksimale fotoniske energiforbrug (defineret som den åbne kredsløbsspænding Voc divideret med det optiske bandgap Eg) til fælles enkeltkrydsede solcellematerialesystemer. Beregnet fra topmoderne celler, der er beskrevet i NREL-effektivitetstabeller.
Hvilke spørgsmål gør Perovskites Face?
Det største problem inden for perovskites er i øjeblikket langvarig ustabilitet. Dette har vist sig at skyldes nedbrydningsveje, der involverer eksterne faktorer, såsom vand, lys og ilt, og også som et resultat af intrinsisk ustabilitet, såsom nedbrydning ved opvarmning på grund af materialets egenskaber. For en oversigt over årsagerne til perovskit nedbrydning se Ossilas vejledning.
Flere strategier er blevet foreslået for at forbedre stabiliteten, mest succesfuldt ved at ændre komponentvalg. Anvendelse af blandede kationsystemer (for eksempel ved inklusion af uorganiske kationer, såsom rubidium eller cæsium) har vist sig at forbedre både stabilitet og effektivitet. De første perovskitceller, der oversteg 20% effektivitet, anvendte et blandet organisk kationsystem, og mange af de højeste effektivitetssystemer, der blev offentliggjort for nylig, bruger uorganiske komponenter. Bevægelsen mod hydrofobe, UV-stabile grænseflader har også forbedret stabilitet - for eksempel ved at erstatte TiO 2 , der er udsat for UV-nedbrydning, med SnO 2 Stabilitet er også blevet forbedret ved brug af overfladepassivation og ved at kombinere 2D-lagede (Ruddlesden-Popper) perovskites (som viser bedre indre stabilitet, men dårligere ydeevne) med konventionelle 3D perovskites. Disse bestræbelser (sammen med faktorer som bedre indkapsling) har forbedret stabiliteten af perovskites kraftigt siden deres indledende introduktion, og levetiden er godt på vej til at opfylde industristandarder - med det seneste arbejde, der viser, at cellerne er i stand til at modstå en 1000-timers fugtigvaretest. For en mere grundig diskussion af metoder til forbedring af perovskit-stabiliteten , se Ossilas vejledning.
Konventionel 3D perovskite (venstre) i forhold til en generisk 2D perovskite struktur (højre).
Et andet problem, der endnu ikke skal behandles fuldt ud, er brugen af bly i perovskit-forbindelser. Selv om den anvendes i meget mindre mængder end dem, der for tiden findes i enten bly- eller cadmiumbaserede batterier, er tilstedeværelsen af bly i produkter til kommerciel brug problematisk. Der er fortsat bekymring over eksponering for giftige blyforbindelser (gennem udvaskning af perovskit i miljøet), og nogle undersøgelser har antydet en omfattende implementering af perovskites ville kræve fuldstændig indeslutning af nedbrydningsprodukter. I modsætning hertil har andre livscyklusvurderinger fundet, at toksicitetspåvirkningen af bly er ubetydelig i sammenligning med andre materialer i cellen (såsom katoden).
Der er også potentiale for et bly-alternativ til brug i perovskit-solceller (såsom tinbaserede perovskites), men effektomformingseffektiviteten af sådanne anordninger er stadig betydeligt bag blybaserede enheder med rekord for en tinbaseret perovskit står for øjeblikket på 9,0%. Nogle undersøgelser har også konkluderet, at tin faktisk kan have en højere miljøtoksicitet end bly, og andre mindre giftige alternativer er påkrævet.
Et andet stort problem med hensyn til ydeevne er den nuværende spændingshysterese, der almindeligvis ses i enheder. De faktorer, der påvirker hysterese, er stadig under debat, men det er mest almindeligt henført til mobilion migration i kombination med høje niveauer af rekombination. Metoder til reduktion af hysterese indbefatter varierende cellearkitektur, overfladepassivation og stigende blyiodidindhold, såvel som generelle strategier for at reducere rekombination.
En tilnærmelse af strømspændingshysterese, der ofte opstår i perovskite solceller.
For at muliggøre en virkelig lav pris per watt skal perovskite solceller have opnået den meget hyrede trio af høj effektivitet, lang levetid og lave produktionsomkostninger. Dette er endnu ikke opnået for andre tyndfilmteknologier, men perovskitbaserede enheder demonstrerer i øjeblikket enorme muligheder for at opnå dette.
Fremstilling og måling af Perovskite solceller
Selvom perovskitter kommer fra en tilsyneladende anden verden af krystallografi, kan de indarbejdes meget let i en standard OPV (eller anden tyndfilm) arkitektur. De første perovskite solceller var baseret på solid state dye-sensibiliserede solceller (DSSC'er) og brugte således en mesoporøs TiO 2 stillads. Mange celler har siden fulgt denne skabelon eller brugt en Al 2 O 3 stillads i en 'meso-superstruktureret' arkitektur, men de høje temperaturstrin, der kræves til fremstilling og UV-instabilitet af TiO 2 , førte til indførelse af en "planar" arkitektur ens til andre tyndfilmceller. Efter flere års efterspørgsel efter mesoporøse celler med hensyn til effektivitet er plane perovskites nu næsten lige så effektive.
Generiske strukturer af konventionelle / inverterede plane og mesoporøse (konventionelle) perovskite celler.
Perovskitfilmen selv behandles typisk ved enten vakuum- eller opløsningsmetoder. Filmkvalitet er meget vigtig. I første omgang gav vakuumaflejrede film de bedste indretninger, men denne proces kræver co-fordampning af den organiske (methylammonium) komponent samtidig med de uorganiske komponenter (blyhalogenid), hvilket kræver specialinddampningskamre, der ikke er tilgængelige for mange forskere . Som et resultat har der været betydelige bestræbelser på at forbedre opløsningsbehandlede indretninger, da disse er enklere og giver mulighed for lav temperaturbehandling, og disse er nu lig med vakuumdeponerede celler med hensyn til effektivitet.
Typisk deponeres det aktive lag af en perovskit-solcelle via enten en eller to-trins proces. I engangs-processen overtrækkes en precursoropløsning (såsom en blanding af CH3NH3I og PbI2), som derefter omdannes til perovskitfilmen efter opvarmning. En variation på dette er 'antisolvent'-metoden, hvor forløberopløsningen belægges i et polært opløsningsmiddel og derefter quenches under spinbelægningsprocessen ved hjælp af et ikke-polært opløsningsmiddel. Præcise timing af quenching og volumener af quenching opløsningsmidler er påkrævet for at give den optimale ydeevne. For at hjælpe med dette byggede vi Ossila Sprøjtepumpen , som har gjort det muligt for os at bruge denne slukningsproces for at skubbe effektivitetsværdier på over 16%.
I to-trinsprocessen omdannes metalhalogenidet (såsom PbI2) og organiske komponenter (såsom CH3NH3I) i separate efterfølgende film. Alternativt kan metalhalogenidfilmene belægges og anneales i et kammer fyldt med dampen af den organiske komponent, kendt som "vakuumassisteret opløsningsproces" (VASP).
En tilnærmelse af anti-opløsningsmiddel quenchingsmetoden, der ofte anvendes til at belægge perovskiter i en one-step-proces fra en precursoropløsning.
De fleste state-of-the-art perovskites er baseret på en gennemsigtig ledende oxid / ETL / Perovskite / HTL / metalstruktur, hvor henholdsvis ETL og HTL refererer til henholdsvis elektron-transport og hultransportlag. Typiske hulletransportlag omfatter Spiro-OMeTAD eller PEDOT: PSS , og typiske elektron-transportlag omfatter TiO2 eller SnO2. At forstå og optimere energiniveauerne og interaktionerne af forskellige materialer på disse grænseflader giver et meget spændende forskningsområde, der stadig er under drøftelse.
Hovedproblemerne til fremstilling af perovskite solceller er filmkvalitet og tykkelse. Det lethøstende (aktive) perovskitlag skal være flere hundrede nanometer tykke - flere gange mere end for standar d organisk fotovoltaik , og det kan være svært at skabe sådanne tykke lag med høj ensartethed. Medmindre aflejringsbetingelserne og glødningstemperaturen er optimeret, vil der blive dannet ru overflader med ufuldstændig dækning. Selv med god optimering vil der stadig være en betydelig overfladestyrke tilbage. Derfor kræves der også tykkere grænsefladelag end normalt. Forbedringer i filmkvalitet er opnået gennem en række forskellige metoder. En sådan fremgangsmåde er tilsætningen af små mængder syrer, såsom hydroiodisk eller brombrintesyre, der tidligere er blevet diskuteret i en post om renheden af MAI vs blychloridopløselighed eller overskud af blyiodidprecursor.
Gennem omfattende forskningsindsatser er der opnået effektivitetsgrader på over 22% ved hjælp af spinbelægning , og der er også opnået høje effektiviteter ved hjælp af andre løsningsteknikker (f.eks. Dette tyder på, at storskala løsning for behandling af perovskites er meget muligt.
Perovskites fremtid
Fremtidig forskning i perovskites vil sandsynligvis fokusere på reduktion af rekombination gennem strategier som passivisering og reduktion af defekter samt øget effektivitet ved inddragelse af 2D perovskites og bedre optimerede grænsefladematerialer. Charge-ekstraktionslagene vil sandsynligvis bevæge sig væk fra organiske materialer til uorganiske, for at forbedre både effektivitet og stabilitet. Forbedring af stabiliteten og reduktionen af blybelastningenes miljøpåvirkning vil sandsynligvis fortsat være vigtige interessepunkter.
Mens kommercialiseringen af selvstændige perovskite solceller stadig står over for forhindringer med hensyn til fremstilling og stabilitet, har deres anvendelse i tandem c-Si / perovskite celler udviklet sig hurtigt (med opnåede effektiviteter over 25%) og det er sandsynligt, at perovskites først vil se PV-markedet som en del af denne struktur. Udover solenergi er der fortsat et stort potentiale for anvendelse af perovskites i andre applikationer, såsom lysdioder og resistive minder.
Perovskite Fabrication Video Guide
For dem, der lige begyndte deres perovskite forskning, har vi lavet en videoguide, der demonstrerer hele processen med fremstilling og måling af perovskite fotovoltaik. I vores egne laboratorier har vi nået effektivitet på over 11% ved hjælp af denne særlige fabrikationsrutine. Videoen nedenfor indeholder en ældre, ophørt model af Ossila Spin Coater - for at se den aktuelle model kan du besøge produktsiden her .
Ossila produkter til perovskite solceller
Ossila prisbelønnede Solar Cell Prototyping Platform leverer eksemplarisk videnskabelig anvendelse og indvirkning på solcelleforskning. Det er en sammenhængende samling af substrater, materialer og testudstyr som en del af en højtydende standard fotovoltaisk referencearkitektur. Det gør det muligt for forskere at producere højkvalitets, fuldt funktionelle solceller, som kan bruges som en pålidelig basislinje.
Som forskere og videnskabsmænd selv forstår vi, hvor tidskrævende det er at få ekspertise over alle de materialer, processer og teknikker der kræves for at producere en højkvalitetsenhed - og hvordan det til tider kan medføre uoverensstemmende og ikke -reproducerbare resultater.
Vi udviklede denne platform med det formål at sætte dig i stand til at fokusere på din forskning (i stedet for at designe / købe alle dine egne komponenter) og replikere en præstationsbaseline. En væsentlig fordel ved denne platform er levering af præmønsterede ITO-underlag og højproduktbehandlingsudstyr - hvilket resulterer i en betydelig stigning i din produktionshastighed for solcelleanordninger - hvilket hjælper dig med at indsamle flere data, meget hurtigere. Som sådan kan flere typer nye materialer eller arkitekturvariationer testes og flere statistiske data kan indsamles - sikrer konsistens og nøjagtighed.
På det mest basale plan er de fleste perovskitbaserede solceller baseret på et transparent ledende oxidbelagt glassubstrat med inddampet metalkatode og topindkapsling. Som sådan bruges vores eksisterende substratinfrastruktur og perovskite-materialer allerede i højtydende løsningsprocesserede perovskite-enheder. Vores standardindkapslings epoxy er også perfekt til laminering af glas eller andre barrierelag - som det bruges i Snaiths 2014-naturpapir.
Ossila Spin Coater anvendes rutinemæssigt til deponering af vores interface og aktive lag med høj nøjagtighed og enkel betjening.
En meget nyttig følgesvend til Spin Coater (billede ovenfor) er Ossila Sprøjtepumpen . Det kan bruges til automatisk dispensering og slukning af vores perovskite lag for at opnå højkvalitetsfilm. Vores akademiske kolleger har også lavet nogle spændende fremskridt på opløsningsbehandlede perovskite solceller via sprøjtbelægning på vores standardunderlag. Desuden er perovskite solceller karakteriseret ved hjælp af Ossila Solar Cell IV Test System , som automatisk beregner enhedsmålinger og kan udføre stabilitetsmålinger.
I101 Perovskite blæk til rådighed fra Ossila. Det pakkes som 10 individuelle hætteglas indeholdende 0,5 ml opløsning. Dette er i stand til at belægge op til 160 substrater. I101 kan også købes i bulk (30 ml), med 25% rabat i forhold til vores standardordrer.
I de seneste måneder har vi også arbejdet sammen med vores akademiske samarbejdspartnere for at bringe flere perovskitbaserede produkter på markedet, herunder: Methylammoniumjodid, Methylammoniumbromid , Formamidiniumiodid og Formamidiniumbromid. Vi har også udgivet vores første sæt perovskitblæk, den første af disse er I101 (MAI: PbCl 2 ), er designet til at blive behandlet i luft og har vist effektivitet i vores laboratorier op til 11,7%. Vores anden blæk, I201 (MAI: PbCl 2 : PbI 2 ), er beregnet til at blive behandlet i en nitrogenatmosfære, og hidtil har vi set effektivitet op til 11,8%. Begge blæk er designet til at hjælpe vores kunder med at nå høje effektiviteter utrolig hurtigt, når de først begynder med deres perovskites forskning. Vi inkluderer optimerede behandlingsrutiner med begge blæk for at maksimere resultaterne.
