Kilde: ossila.com
Den raske forbedringen av perovskite solceller har gjort dem til den stigende stjernen i fotovoltaics verden og av stor interesse for det akademiske samfunnet. Siden deres operasjonsmetoder fortsatt er relativt nye, er det stor mulighet for videre forskning i grunnfysikk og kjemi rundt perovskites. Videre, som det har blitt vist de siste årene, har de tekniske forbedringene av perovskite formuleringer og fabrikasjonsrutiner ført til betydelig økning i effektomformingseffektivitet, med de siste enhetene som er over 23%, fra juni 2018.
Hva er Perovskites?
Hvorfor er Perovskite solceller så signifikante?
Hvilke problemer gjør Perovskites Face?
Fremstilling og måling av Perovskite solceller
Perovskites fremtid
Perovskite Fabrication Video Guide
Ossila produkter for Perovskite solceller
referanser
Videre lesning
Hva er Perovskites?
Begrepene "perovskite" og "perovskite struktur" blir ofte brukt om hverandre. Teknisk sett er en perovskitt en type mineral som først ble funnet i Uralfjellene og oppkalt etter Lev Perovski (som var grunnleggeren av det russiske geografiske samfunnet). En perovskittstruktur er en hvilken som helst forbindelse som har samme struktur som perovskitt-mineral.
True perovskite (mineral) består av kalsium, titan og oksygen i form CaTiO 3 . I mellomtiden er en perovskittstruktur noe som har generisk form ABX 3 og samme krystallografiske struktur som perovskitt (mineral). Men siden de fleste mennesker i solcelleverdenen ikke er involvert i mineraler og geologi, brukes perovskitt og perovskite-strukturen utveksling.
Perovskite gitter arrangementet er vist nedenfor. Som med mange strukturer i krystallografi, kan den representeres på flere måter. Den enkleste måten å tenke på perovskitt er som en stor atom eller molekylskation (positivt ladet) av type A i midten av en terning. Kubens hjørner okkuperes da av atomer B (også positivt ladede kationer) og kubens ansikter er opptatt av et mindre atom X med negativ ladning (anion).
En generisk perovskitt krystallstruktur av formen ABX3. Legg merke til at de to strukturene er likeverdige - den venstre strukturen er tegnet slik at atom B er i posisjonen <0,0,0> mens den høyre strukturen er tegnet slik at atom (eller molekyl) A er ved < 0,0,0=""> posisjon. Legg også merke til at linjene er en veiledning for å representere krystallorientering i stedet for bindingsmønstre.
Avhengig av hvilke atomer / molekyler som brukes i strukturen, kan perovskites ha en imponerende rekke interessante egenskaper, inkludert superledningsevne, gigantisk magnetoresistens, spin-avhengig transport (spintronics) og katalytiske egenskaper. Perovskites representerer derfor en spennende lekeplass for fysikere, kjemikere og materielle forskere.
Perovskites ble først brukt i solide solceller i solid state i 2012, og siden da har de fleste celler brukt følgende kombinasjon av materialer i vanlig perovskitt form ABX 3 :
A = En organisk kation-metylammonium (CH3NH3 + ) eller formamidinium (NH2CHNH2 + )
B = En stor uorganisk kation - vanligvis bly (II) (Pb 2+ )
X 3 = En litt mindre halogenanion - vanligvis klorid (Cl-) eller jodid (I - )
Siden dette er en relativt generell struktur, kan disse perovskite-baserte enhetene også fåes en rekke forskjellige navn, som enten kan referere til en mer generell klasse av materialer eller en bestemt kombinasjon. Som et eksempel på dette, har vi opprettet tabellen under for å markere hvor mange navn som kan dannes fra en grunnstruktur.
EN | B | X 3 |
organo | Metall | Trihalid (eller trihalid) |
metylammoniakk | Lede | Jodid (eller triiodid) |
Plumbate | Klorid (eller triklorid) |
Perovskite-navnet-plukketabellen : Velg et element fra kolonnene A, B eller X 3 for å komme opp med et gyldig navn. Eksempler er: Organo-bly-klorider, Metylammonium-metall-trihalider, Organo-plumbate-jodider etc.
Tabellen viser hvor stor parameterrommet er for potensielle materialer / strukturkombinasjoner, da det er mange andre atomer / molekyler som kan erstattes for hver kolonne. Valget av materialkombinasjoner vil være avgjørende for å bestemme både de optiske og elektroniske egenskapene (f.eks. Bandgap og tilsvarende absorpsjonsspekter, mobilitet, diffusjonslengder osv.). En enkel brute-force optimalisering ved kombinatorisk screening i laboratoriet er sannsynligvis svært ineffektiv for å finne gode perovskite strukturer.
Flertallet av effektive perovskites er basert på gruppe IV (spesielt bly) metallhalogenider, og det er utfordrende å bevege seg utover dette. Det er sannsynligvis mer inngående kunnskap enn det som er tilgjengelig for øyeblikket, for å fullt ut kunne utforske omfanget av mulige perovskite strukturer. Blybaserte perovskite-baserte solceller er spesielt gode på grunn av en rekke faktorer, inkludert sterk absorpsjon i det synlige regimet, lange ladningsbærer-diffusjonslengder, en justerbar båndgap og enkel fremstilling (på grunn av den høye defekttoleransen og evne til å behandle ved lave temperaturer).
Hvorfor er Perovskite solceller så signifikante?
Det er to nøkkeldiagrammer som viser hvorfor perovskite solceller har tiltrukket seg så fremtredende oppmerksomhet på kort tid siden 2012. Den første av disse grafene (som bruker data tatt fra NREL solcelleffektivitetsdiagrammet) 1 demonstrerer effekten av konverteringseffektiviteten til perovskitt baserte enheter de siste årene, i forhold til fremvoksende fotovoltaisk forskningsteknologi, og også tradisjonell tynnfilm-fotovoltaikk.
Grafen viser en meteorisk økning sammenlignet med de fleste andre teknologier over en relativt kort periode. Innen 4 år etter sitt gjennombrudd hadde perovskite solceller lik effektiviteten av Cadmium Telluride (CdTe), som har eksistert i over 40 år. Videre har de fra og med juni 2018 overskredet alle andre tynnfilm, ikke-konsentratorteknologier - inkludert CdTe og Copper Indium Gallium Selenide (CIGS). Selv om det kunne argumenteres for at flere ressurser og bedre infrastruktur for solcelleforskning har vært tilgjengelig de siste årene, er den dramatiske økningen i perovskite solcelleffektivitet fortsatt utrolig betydelig og imponerende.
Perovskite solceller har økt i effektkonvertering effektivitet på en fenomenal hastighet i forhold til andre typer photovoltaics. Selv om denne figuren bare representerer laboratoriebaserte "heltceller", hevder det stort løfte.
Den andre nøkkeldiagrammet nedenfor er spenningsspenningen i forhold til båndgapet for en rekke teknologier som konkurrerer mot perovskites. Denne grafen viser hvor mye av en fotons energi som går tapt i konverteringsprosessen, fra lys til strøm. For standard excitonbaserte organiske baserte solceller kan dette tapet være så høyt som 50% av den absorberte energien, mens perovskite solceller regelmessig overskrider 70% fotonutnyttelse, og har potensialet til å økes ytterligere. 4
Dette nærmer seg verdiene av state-of-the-art teknologier (for eksempel GaAs), men til en betydelig lavere kostnad. Krystallinske silisium solceller, uten tvil den nærmeste komparatoren til perovskites med hensyn til effektivitet og kostnad, er allerede opptil 1000 ganger billigere enn toppmoderne GaAs. 5 Perovskites har potensial til å bli enda billigere enn dette.
Maksimal fotonergiutnyttelse (definert som den åpne kretsspenningen Voc dividert med den optiske bandgap Eg) for felles enkeltkryssede solcellematerialesystemer. Beregnet fra toppmoderne celler detaljert i NREL effektivitetstabeller.
Hvilke problemer gjør Perovskites Face?
Det største problemet innen perovskites er for tiden langsiktig ustabilitet. Dette har vist seg å skyldes nedbrytningsveier som involverer eksterne faktorer, som vann, lys og oksygen, og også som et resultat av egen ustabilitet, som for eksempel nedbrytning ved oppvarming, på grunn av materialets egenskaper. For en oversikt over årsakene til perovskitt-nedbrytning, se Ossilas veiledning.
Flere strategier har blitt foreslått for å forbedre stabiliteten, mest vellykket ved å endre komponentvalg. Bruk av blandede kationsystemer (for eksempel ved å inkludere uorganiske kationer som rubidium eller cesium) har vist seg å forbedre både stabilitet og effektivitet. De første perovskittcellene som overstiger 20% effektivitet, brukte et blandet organisk kationsystem, og mange av de høyeste effektivitetssystemene som ble publisert, brukte nylig uorganiske komponenter. Bevegelsen mot hydrofobe, UV-stabile grensesjikt har også forbedret stabilitet - for eksempel ved å erstatte TiO 2 , som er utsatt for UV-nedbrytning, med SnO 2 Stabilitet har også blitt forbedret ved bruk av overflatepassivering og ved å kombinere 2D-lagd (Ruddlesden-Popper) perovskites (som viser bedre indre stabilitet, men dårligere ytelse) med konvensjonelle 3D perovskites. Disse anstrengelsene (sammen med faktorer som bedre innkapsling) har sterkt forbedret stabiliteten til perovskittene siden den første introduksjonen, og livet er godt på vei for å møte industristandarder - med nylig arbeid som viser at celler kan tåle en 1000-timers fuktig varmetest. For en mer grundig diskusjon av metoder for å forbedre perovskite stabilitet , se Ossilas guide.
Konvensjonell 3D perovskite (venstre) sammenlignet med en generisk 2D perovskite struktur (høyre).
Et annet problem som ennå ikke skal behandles fullt ut, er bruken av bly i perovskitt-forbindelser. Selv om den brukes i mye mindre mengder enn de som nå finnes i bly- eller kadmiumbaserte batterier, er tilstedeværelsen av bly i produkter for kommersiell bruk problematisk. Bekymringer forblir fortsatt om eksponering for giftige blyforbindelser (gjennom utvasking av perovskitt i miljøet), og noen studier har antydet omfattende implementering av perovskites ville kreve fullstendig inneslutning av nedbrytningsprodukter. I motsetning til dette har andre livssyklusvurderinger funnet at toksisitetspåvirkningen av bly er ubetydelig i forhold til andre materialer i cellen (for eksempel katoden).
Det er også potensial for et ledende alternativ til bruk i perovskite solceller (som tinnbaserte perovskites), men effektkonverteringseffektiviteten til slike enheter er fortsatt betydelig bak blybaserte enheter, med rekord for en tinnbasert perovskitt står nå på 9,0%. Noen studier har også konkludert med at tinn kan faktisk ha høyere miljøgiftighet enn bly, og andre mindre giftige alternativer kreves.
Et annet stort problem når det gjelder ytelse er dagens spenningshysterese som vanligvis settes i enheter. Faktorene som påvirker hysteresen er fortsatt under diskusjon, men det er oftest tilskrevet mobil ion-migrasjon i kombinasjon med høye nivåer av rekombinasjon. Metoder for å redusere hysterese inkluderer varierende cellearkitektur, overflatepassivasjon og økende blyjodidinnhold, samt generelle strategier for å redusere rekombinasjon.
En tilnærming av nåværende spenningshysterese oppstår ofte i perovskite solceller.
For å muliggjøre en virkelig lav pris per watt, må perovskite solceller ha oppnådd den høyverdige trioen med høy effektivitet, lang levetid og lave produksjonskostnader. Dette har ennå ikke blitt oppnådd for andre tynnfilmteknologier, men perovskite-baserte enheter demonstrerer for øyeblikket enorme muligheter for å oppnå dette.
Fremstilling og måling av Perovskite solceller
Selv om perovskites kommer fra en tilsynelatende annen verden av krystallografi, kan de innlemmes veldig enkelt i en vanlig OPV-arkitektur (eller annen tynnfilm) -arkitektur. De første perovskite solceller var basert på solid state dye-sensitized solceller (DSSCs), og så brukte en mesoporøs TiO 2 stillas. Mange celler har siden fulgt denne malmen eller brukt en Al 2 O 3 stillas i en "meso-superstructured" arkitektur, men de høytemperaturstrinnene som trengs for produksjon og UV-instabilitet av TiO 2 førte til introduksjon av en "planar" arkitektur lignende til andre tynnfilmceller. Etter flere år med å ligge bak mesoporøse celler med hensyn til effektivitet, er plan perovskites nå nesten like effektive.
Generiske strukturer av konvensjonelle / inverterte plane og mesoporøse (konvensjonelle) perovskite celler.
Perovskittfilmen i seg selv blir typisk behandlet med enten vakuum- eller oppløsningsmetoder. Filmkvalitet er svært viktig. I første omgang ga vakuumdeponerte filmer de beste innretningene, men denne prosessen krever samdampning av den organiske (metylammonium) komponenten samtidig som de uorganiske komponenter (blyhalogenid), som krever spesialiserte fordampningskamre som ikke er tilgjengelige for mange forskere . Som et resultat har det vært betydelig innsats i å forbedre løsningsbehandlede enheter, da disse er enklere og tillater lavtemperaturbehandling, og disse er nå like vakuumdeponerte celler med hensyn til effektivitet.
Vanligvis blir det aktive laget av en perovskitt solcelle deponert via enten en eller to-trinns prosess. I engangs-prosessen belegges en forløperoppløsning (som en blanding av CH3NH3I og PbI2) som deretter omdanner til perovskittfilmen ved oppvarming. En variasjon på dette er "antisolvent" -metoden, hvor forløperoppløsningen belegges i et polart løsningsmiddel, og deretter slokkes under spinbeleggingsprosessen med et ikke-polart løsningsmiddel. Nøyaktige tidspunkter for slokking og volum av slokkløsningsmidlene kreves for å gi optimal ytelse. For å hjelpe til med dette bygget vi Ossila Sprøytepumpen , som har gitt oss mulighet til å bruke denne slukningsprosessen for å øke effektivitetsverdiene på mer enn 16%.
I to-trinns prosessen spinnes metallhalogenidet (slik som PbI2) og organiske komponenter (som CH3NH3I) i separate etterfølgende filmer. Alternativt kan metallhalogenidfilmer belegges og anneales i et kammer fylt med den organiske komponentdampen, kjent som "vakuumassistert løsningsprosess" (VASP).
En tilnærming av anti-løsningsmiddel-slokkingsmetoden som ofte ble brukt til å belegge perovskites i en engangs-prosess fra en forløperoppløsning.
De fleste state-of-the-art perovskites er basert på et gjennomsiktig ledende oksid / ETL / Perovskite / HTL / metallstruktur, hvorav ETL og HTL refererer til henholdsvis elektron-transport og hulltransportlag. Typiske hulltransportlag omfatter Spiro-OMeTAD eller PEDOT: PSS , og typiske elektron-transportlag omfatter Ti02 eller SnO2 . Å forstå og optimalisere energinivåene og samspillet mellom forskjellige materialer ved disse grensesnittene, gir et veldig spennende forskningsområde som fortsatt diskuteres.
Hovedproblemene for praktisk montering av perovskite solceller er filmkvalitet og tykkelse. Det lette høstende (aktive) perovskite laget må være flere hundre nanometer tykk - flere ganger mer enn for standar d organisk fotovoltaik , og det kan være vanskelig å lage slike tykke lag med høy uniformitet. Med mindre avsetningsbetingelsene og glødemiddelmperaturen er optimalisert, vil det oppstå ru overflater med ufullstendig dekning. Selv med god optimalisering vil det fortsatt være en betydelig overflatestørrelse igjen. Derfor kreves også tykkere grensesnittlag enn det som normalt brukes. Forbedringer av filmkvalitet er oppnådd gjennom en rekke metoder. En slik metode er tilsetning av små mengder syrer, slik som hydroiodisk eller brombrensyre, tidligere diskutert i et innlegg om renheten av MAI vs blykloridoppløselighet eller overskudd av blyjodidforløper.
Gjennom omfattende forskningsinnsatser har effektiviteten på over 22% blitt oppnådd ved hjelp av spinbelegg , og høye effektiviteter har også blitt oppnådd ved hjelp av andre løsninger for behandlingsteknologi (for eksempel spalt-dørbelegg ). Dette antyder at storskala løsning behandling av perovskites er svært mulig.
Perovskites fremtid
Fremtidig forskning i perovskites vil sannsynligvis fokusere på reduksjon av rekombinasjon gjennom strategier som passivisering og reduksjon av defekter, samt økning av effektivitet gjennom inkludering av 2D perovskites og bedre optimaliserte grensesnittmaterialer. Charge-ekstraksjonslag vil sannsynligvis bevege seg bort fra organiske materialer til uorganiske, for å forbedre både effektivitet og stabilitet. Forbedring av stabilitet og reduksjon i blybelastningens miljøpåvirkning vil trolig fortsatt være viktige interessepunkter.
Mens kommersialiseringen av frittstående perovskite solceller fortsatt står overfor hindringer når det gjelder fabrikasjon og stabilitet, har deres bruk i tandem c-Si / perovskite-celler utviklet seg raskt (med effektivitet over 25% oppnådd) og det er sannsynlig at perovskites først vil se PV-markedet som en del av denne strukturen. Utover solenergi er det fortsatt betydelig potensial for bruk av perovskites i andre applikasjoner, som lysdioder og resistive minner.
Perovskite Fabrication Video Guide
For de som nettopp begynner sin perovskite-forskning, har vi laget en videoguide som demonstrerer hele prosessen med fremstilling og måling av perovskite fotovoltaikk. I våre egne laboratorier har vi oppnådd effektivitet på over 11% ved hjelp av denne spesielle fabrikasjonsrutinen. Videoen nedenfor inneholder en eldre, utgått modell av Ossila Spin Coater - for å se gjeldende modell, kan du besøke produktsiden her .
Ossila produkter for Perovskite solceller
Ossila prisbelønte Solar Cell Prototyping Platform gir eksemplarisk vitenskapelig anvendelse og innvirkning på solcelleforskning. Det er en sammenhengende samling av underlag, materialer og testutstyr som en del av en høyverdig standard fotovoltaisk referansearkitektur. Det gjør det mulig for forskere å produsere høykvalitets, fullt funksjonelle solceller som kan brukes som en pålitelig basislinje.
Som forskere og forskere selv forstår vi hvor tidskrevende det er å få kompetanse over alle materialer, prosesser og teknikker som kreves for å produsere en høykvalitetsenhet - og til tross for din beste innsats, kan det noen ganger føre til inkonsekvent og ikke -reproducible resultater.
Vi utviklet denne plattformen med sikte på at du kan fokusere på din forskning (i stedet for å designe / innkjøre alle dine egne komponenter) og gjengi en ytelsesbaseline. En betydelig fordel med denne plattformen er levering av pre-mønstrede ITO-underlag og høyt gjennomstrømningsbehandlingsutstyr, noe som resulterer i en betydelig økning i produksjonshastigheten for solceller, noe som hjelper deg med å samle inn flere data, mye raskere. Som sådan kan flere typer nye materialer eller arkitekturvarianter bli testet og flere statistiske data kan samles inn - slik at de er konsistente og nøyaktige.
På det mest grunnleggende nivå er de fleste perovskittbaserte solceller basert på et transparent ledende oksidbelagt glassubstrat med fordampet metallkatode og toppinnkapsling. Som sådan brukes vår eksisterende substratinfrastruktur og perovskite-materialer allerede i høyytelsesløsningsbehandlede perovskite-enheter. Vår standard innkapslings epoxy er også perfekt egnet for laminering av glass eller andre barrierelag - som brukt i Snaiths 2014 Naturpapir.
Ossila Spin Coater brukes rutinemessig til deponering av grensesnittet og aktive lag med høy nøyaktighet og enkel betjening.
En veldig nyttig følgesvenn til Spin Coater (bildet ovenfor) er Ossila Sprøytepumpen . Den kan brukes til automatisk dispensering og slukking av våre perovskite lag for å skaffe filmer av høy kvalitet. Våre akademiske kolleger har også gjort noen spennende fremskritt på løsningsbehandlede perovskite solceller via spraybelegg på våre standardunderlag. Videre blir perovskite solceller karakterisert ved hjelp av Ossila Solar Cell IV Test System , som automatisk beregner enhets beregninger og kan utføre stabilitetsmålinger.
I101 Perovskite blekk tilgjengelig fra Ossila. Den er pakket som 10 individuelle hetteglass som inneholder 0,5 ml oppløsning. Dette er i stand til å belegge opptil 160 underlag. I101 kan også kjøpes i bulk (30 ml), med 25% rabatt i forhold til våre standard bestillingsstørrelser.
I løpet av de siste månedene har vi også samarbeidet med våre faglige samarbeidspartnere for å bringe mer perovskite-baserte produkter til markedet, blant annet: Methylammoniumjodid, Methylammoniumbromid , Formamidiniumjodid og Formamidiniumbromid. Vi har også gitt ut vårt første sett med perovskite blekk, den første av disse er I101 (MAI: PbCl 2 ), er utviklet for å bli bearbeidet i luft og har vist effektivitet i våre laboratorier opp til 11,7%. Vår andre blekk, I201 (MAI: PbCl 2 : PbI 2 ), er for mulert å bli behandlet i en nitrogenatmosfære, og så langt har vi sett effektivitet opptil 11,8%. Begge blekkene er utviklet for å hjelpe våre kunder med å oppnå høye effektiviteter utrolig raskt når de først starter med sin perovskites-forskning. Vi inkluderer optimaliserte behandlingsrutiner med begge blekk for å maksimere resultatene.
