Zdroj: ossila.com
Rychlé zlepšení solárních článků perovskitu z nich učinilo vzestupnou hvězdu fotovoltaického světa a obrovský zájem akademické obce. Vzhledem k tomu, že jejich operační metody jsou stále relativně nové, existuje velká příležitost pro další výzkum základní fyziky a chemie v okolí perovskitů. Kromě toho, jak bylo prokázáno v průběhu posledních několika let, technické zdokonalení přípravků a postupů výroby perovskitů vedlo k významnému zvýšení účinnosti přeměny energie, přičemž nedávná zařízení dosahují k červnu 2018 více než 23%.
Co jsou Perovskité?
Proč jsou Perovskite Solární články tak významné?
Jaké problémy dělají Perovskité?
Výroba a měření solárních článků perovskitů
Budoucnost Perovskitů
Perovskite Fabrication Video Guide
Ossila Produkty pro solární články Perovskite
Reference
Další čtení
Co jsou Perovskité?
Termíny "perovskit" a "perovskitová struktura" jsou často používány zaměnitelně. Technicky, perovskite je druh nerostu, který byl nejprve nalezený v Ural horách a pojmenoval podle Leva Perovski (kdo byl zakladatel ruské geografické společnosti). Struktura perovskitu je jakákoliv sloučenina, která má stejnou strukturu jako perovskitový minerál.
Pravý perovskit (minerál) se skládá z vápníku, titanu a kyslíku ve formě CaTiO 3 . Mezitím, perovskite struktura je něco to má generickou formu ABX 3 a stejnou krystalographic strukturu jako perovskite (minerál). Nicméně, protože většina lidí ve světě solárních článků se nezabývá minerály a geologií, perovskitová a perovskitová struktura se používá zaměnitelně.
Perovskitové mřížkové uspořádání je demonstrováno níže. Stejně jako u mnoha struktur v krystalografii může být reprezentován několika způsoby. Nejjednodušší způsob, jak přemýšlet o perovskitu, je velký atomový nebo molekulární kation (kladně nabitý) typu A ve středu krychle. Rohy kostky jsou pak obsazené atomy B (také pozitivně-nabité kationty) a tváře kostky jsou obsazené menším atomem X s záporným nábojem (anion).
Generická perovskitová krystalická struktura formy ABX3. Všimněte si, že obě struktury jsou ekvivalentní - levá struktura je nakreslena tak, že atom B je v poloze <0,0,0>, zatímco pravá struktura je kreslena tak, že atom (nebo molekula) A je < 0,0,0=""> poloha. Všimněte si také, že čáry jsou vodítkem pro reprezentaci krystalové orientace spíše než pro spojování vzorů.
V závislosti na tom, které atomy / molekuly se používají ve struktuře, mohou mít perovskity působivé pole zajímavých vlastností, včetně supravodivosti, obrovského magnetorezistence, spinově závislého transportu (spintroniky) a katalytických vlastností. Perovskité proto představují vzrušující hřiště pro fyziky, chemiky a materiální vědce.
Perovskity byly poprvé úspěšně použity v solárních článcích v pevné fázi v roce 2012, a od té doby většina buněk použila následující kombinaci materiálů v obvyklé perovskitové formě ABX 3 :
A = organický kationt - methylamonium (CH3NH3 + ) nebo formamidinium (NH2CHNH2 + )
B = Velký anorganický kation - obvykle olovo (II) (Pb 2+ )
X 3 = mírně menší halogenový anion - obvykle chlorid (Cl - ) nebo jodid (I - )
Vzhledem k tomu, že se jedná o relativně obecnou strukturu, mohou být těmto zařízením na bázi perovskitů rovněž přiděleny různé názvy, které mohou odkazovat na obecnější třídu materiálů nebo na konkrétní kombinaci. Jako příklad tohoto příkladu jsme vytvořili níže uvedenou tabulku, která ukazuje, kolik jmen lze vytvořit z jedné základní struktury.
A | B | X3 |
Organo | Kov | Trihalid (nebo trihalogenid) |
Methylamonium | Vést | Jodid (nebo trijodid) |
Instalatér | Chlorid (nebo trichlorid) |
Tabulka perovskite 'name-picking' : Vyberte některou položku ze sloupců A, B nebo X 3, abyste dostali platný název. Příklady zahrnují: Organo-olovo-chloridy, Methylamonium-trihalogenidy kovů, organo-plumbate-jodidy atd.
Tabulka ukazuje, jak velký je prostor parametrů pro potenciální kombinace materiálu a struktury, protože existuje mnoho dalších atomů / molekul, které by mohly být nahrazeny každým sloupcem. Výběr kombinací materiálů bude rozhodující pro stanovení jak optických, tak elektronických vlastností (např. Bandgap a odpovídající absorpční spektra, pohyblivost, difúzní délky atd.). Jednoduchá optimalizace hrubou silou kombinatorickým screeningem v laboratoři bude pravděpodobně velmi neúčinná při hledání dobrých perovskitových struktur.
Většina účinných perovskitů je založena na halogenidech kovů skupiny IV (konkrétně olovo) a pohybující se za nimi se ukázalo jako náročné. To je pravděpodobně více in-hloubkové znalosti než nyní dostupný je vyžadován úplně prozkoumat rozsah možných perovskite struktur. Sluneční články na bázi olova na bázi perovskitů jsou obzvláště dobré z důvodu řady faktorů, včetně silné absorpce ve viditelném režimu, dlouhých délek nabíjecího a nosného rozptylu, laditelné mezery mezi pásky a snadné výroby (díky vysoké toleranci defektů a schopnost zpracovat při nízkých teplotách).
Proč jsou Perovskite Solární články tak významné?
Existují dva klíčové grafy, které ukazují, proč perovskitové solární články přitahují tak významnou pozornost v krátkém čase od roku 2012. První z těchto grafů (který využívá data z grafu účinnosti solárních článků NREL) 1 ukazuje účinnost přeměny energie perovskitu v posledních letech ve srovnání se vznikající fotovoltaickou výzkumnou technologií a také tradičními tenkovrstvými fotovoltaiky.
Graf ukazuje nárůst meteorického tlaku ve srovnání s většinou ostatních technologií za relativně krátkou dobu. Během 4 let od jejich průlomu se perovskitové solární články vyrovnávaly s účinností teluridu kadmia (CdTe), který je již více než 40 let. Kromě toho od června 2018 překročily všechny ostatní technologie, které nesouvisí s koncentracemi tenkých vrstev, včetně CdTe a Copli Indium Gallium Selenide (CIGS). I když by bylo možné argumentovat, že v posledních letech bylo k dispozici více zdrojů a lepší infrastruktura pro výzkum solárních článků, dramatický nárůst účinnosti solárních článků perovskitových solárních článků je stále neuvěřitelně významný a působivý.
Solární články Perovskite zvýšily účinnost přeměny energie při fenomenální rychlosti ve srovnání s jinými typy fotovoltaiky. Ačkoli toto číslo představuje pouze "hrdinové buňky" založené na laboratořích, předznamenává velký slib.
Druhým klíčovým grafem níže je napětí naprázdno ve srovnání s mezerou pásma pro celou řadu technologií, které soutěží s perovskity. Tento graf ukazuje, kolik energie fotonu se ztrácí v procesu přeměny ze světla na elektřinu. U standardních solárních článků založených na bázi excitonických organických organických sloučenin může být tato ztráta až 50% absorbované energie, zatímco solární články perovskitů pravidelně překračují 70% využití energie fotonů a mají potenciál být ještě zvýšeny. 4
To se blíží hodnotám nejmodernějších technologií (např. GaAs), ale za výrazně nižší náklady. Krystalické křemíkové solární články, pravděpodobně nejbližší srovnatelný perovskit z hlediska účinnosti a nákladů, jsou již až 1000krát levnější než nejmodernější GaAs. 5 Perovskité mají potenciál stát se ještě levnějšími.
Maximální využití fotonové energie (definované jako napětí Voc s otevřeným obvodem děleno optickým bandgapem Eg) pro běžné jednofázové systémy solárních článků. Vypočítáno ze stavu článků uvedených v tabulkách účinnosti NREL.
Jaké problémy dělají Perovskité?
Největší problém v oblasti perovskitů je v současné době dlouhodobá nestabilita. To bylo prokázáno v důsledku degradačních cest zahrnujících vnější faktory, jako je voda, světlo a kyslík, a také v důsledku vnitřní nestability, jako je degradace při zahřívání, v důsledku vlastností materiálu. Přehled příčin degradace perovskitu naleznete v příručce Ossila.
Pro zlepšení stability bylo navrženo několik strategií, nejúspěšněji změnou výběru komponent. Ukázalo se, že použití systémů se smíšenými kationty (například zahrnutím anorganických kationtů, jako je rubidium nebo cesium) zlepšuje jak stabilitu, tak účinnost. První perovskitové buňky, které překročily 20% účinnost, používaly směsný organický kationtový systém, a mnoho systémů s nejvyšší účinností publikovaných v nedávné době používá anorganické složky. Pohyb směrem k hydrofobním, UV-stabilním mezifázovým vrstvám také zlepšil stabilitu - například nahrazením TiO 2 , který je citlivý na UV degradaci, stabilitou Sn02 také zlepšením povrchové pasivace a kombinováním 2D-vrstvených (Ruddlesden-Popper) perovskitů (které vykazují lepší vnitřní stabilitu, ale horší výkon) s konvenčními 3D perovskity. Tyto snahy (spolu s faktory, jako je lepší zapouzdření) výrazně zlepšily stabilitu perovskitů od jejich počátečního zavedení a životnost je na dobré cestě k dosažení průmyslových standardů - s nedávnými pracemi, které ukazují, že buňky jsou schopné vydržet 1000 hodinovou zkoušku vlhkého tepla. Podrobnější diskusi o metodách pro zlepšení stability perovskitů naleznete v příručce Ossila.
Konvenční 3D perovskit (vlevo) ve srovnání s generickou 2D perovskitovou strukturou (vpravo).
Dalším problémem, který je třeba ještě řešit, je použití olova v perovskitových sloučeninách. I když se používá v mnohem menších množstvích, než je množství, které je v současné době přítomno v bateriích na bázi olova nebo kadmia, je přítomnost olova v produktech pro komerční použití problematická. Stále přetrvávají obavy z expozice toxickým sloučeninám olova (přes louhování perovskitu do životního prostředí) a některé studie naznačují, že rozsáhlá implementace perovskitů by vyžadovala úplné omezení produktů degradace. Naproti tomu jiná hodnocení životního cyklu zjistila, že vliv olova na toxicitu je zanedbatelný ve srovnání s jinými materiály v buňce (jako je katoda).
Tam je také potenciál pro vedoucí alternativu být používán v perovskite solárních buňkách (takový jako cín-založené perovskites), ale účinnost přeměny energie takových zařízení je ještě významně za olovem-založená zařízení, se záznamem pro cín-založený perovskite \ t v současné době dosahuje 9,0%. Některé studie rovněž dospěly k závěru, že cín může mít ve skutečnosti vyšší toxicitu pro životní prostředí než olovo, a další méně toxické alternativy.
Dalším významným problémem z hlediska výkonu je hystereze proudového napětí běžně pozorovaná v zařízeních. Faktory ovlivňující hysterezi jsou stále předmětem debaty, ale nejběžněji se přičítá migraci mobilních iontů v kombinaci s vysokými úrovněmi rekombinace. Metody snižování hystereze zahrnují různé buněčné architektury, povrchovou pasivaci a zvyšující se obsah oodidu jodidu, stejně jako obecné strategie pro snížení rekombinace.
Aproximace hystereze proud-napětí často se vyskytující v perovskitových solárních článcích.
Aby bylo možné dosáhnout skutečně nízkých nákladů na watt, musí solární články perovskite dosáhnout mnohaletého ohlašovacího tria s vysokou účinností, dlouhou životností a nízkými výrobními náklady. To se dosud nepodařilo dosáhnout u jiných tenkovrstvých technologií, ale zařízení založená na perovskitech v současné době vykazují obrovský potenciál pro dosažení tohoto cíle.
Výroba a měření solárních článků perovskitů
Ačkoli perovskites pocházejí ze zdánlivě odlišného světa krystalografie, mohou být velmi snadno začleněny do standardní OPV (nebo jiné tenkovrstvé) architektury. První solární články perovskitových solárních článků byly založeny na solárních článcích (DSSC), které byly senzitizovány na bázi barviva v pevné fázi, a tak byly použity mezoporézní lešení TiO2. Mnoho buněk od té doby následovalo tuto šablonu nebo použilo lešení Al 2 O 3 v architektuře „meso-superstrukturované“, ale kroky vysoké teploty potřebné pro výrobu a UV nestabilita TiO 2 vedly k zavedení „planární“ architektury podobné na jiné tenkovrstvé buňky. Po několika letech zaostávání za mezoporézními buňkami z hlediska účinnosti jsou planární perovskity téměř stejně účinné.
Generické struktury konvenčních / invertovaných planárních a mezoporézních (konvenčních) perovskitových buněk.
Samotný perovskitový film se typicky zpracovává buď vakuovým nebo roztokovým způsobem. Kvalita filmu je velmi důležitá. Zpočátku, vakuově uložené filmy dávaly nejlepší zařízení, ale tento proces vyžaduje společné odpařování organické (methylamoniové) složky současně s anorganickými (halogenidovými) složkami olova, což vyžaduje specializované odpařovací komory, které nejsou dostupné mnoha výzkumníkům. . V důsledku toho bylo vynaloženo značné úsilí na zdokonalení zařízení zpracovaných roztokem, protože jsou jednodušší a umožňují zpracování za nízké teploty a tyto jsou nyní ve smyslu účinnosti vakuově uložené buňky.
Typicky je aktivní vrstva solárního článku perovskitů uložena buď jedním nebo dvoustupňovým procesem. V jednostupňovém procesu se prekurzorový roztok (jako je směs CH3NH3I a PbI2) potáhne, který se potom po zahřátí převede na perovskitový film. Variace na to je 'antisolventní' způsob, ve kterém je prekurzorový roztok potažen v polárním rozpouštědle a pak zchlazen během procesu rotačního potahování nepolárním rozpouštědlem. K dosažení optimálního výkonu je zapotřebí přesné načasování zhášení a objemů kalicích rozpouštědel. Abychom vám pomohli, postavili jsme dávkovací čerpadlo Ossila , které nám umožnilo využít tento proces zhášení, který posunul hodnoty účinnosti přeměny energie ve vlastním domě nad 16%.
V dvoustupňovém procesu se halogenid kovu (jako je PbI2) a organické složky (jako je CH3NH3I) zvlákňují v oddělených následných filmech. Alternativně mohou být kovové halogenidové fólie potaženy a žíhány v komoře naplněné parou organické složky, známou jako „vakuově asistovaný proces“ (VASP).
Aproximace metody anti-solventního kalení, která se často používá k potahování perovskitů v jednostupňovém procesu z prekurzorového roztoku.
Většina nejmodernějších perovskitů je založena na transparentní vodivé struktuře oxid / ETL / Perovskite / HTL / kov, kde ETL a HTL odkazují na vrstvy transportu elektronů a vrstev. Typické transportní vrstvy děr zahrnují Spiro-OMeTAD nebo PEDOT: PSS a typické elektronové transportní vrstvy zahrnují Ti02 nebo Sn02. Pochopení a optimalizace úrovní energie a interakce různých materiálů na těchto rozhraních nabízí velmi vzrušující oblast výzkumu, o které se stále diskutuje.
Hlavní otázky pro praktické zhotovení přístrojů solárních článků perovskitu jsou kvalita a tloušťka filmu. Vrstva pro sklizeň světla (aktivní) perovskitová vrstva musí být tlustá několik set nanometrů - několikrát více než pro standardní organické fotovoltaické systémy a vytváření takových silných vrstev s vysokou jednotností může být obtížné. Pokud nejsou podmínky depozice a teplota žíhání optimalizovány, vytvoří se hrubé povrchy s neúplným pokrytím. I při dobré optimalizaci bude i nadále existovat značná drsnost povrchu. Proto jsou také vyžadovány tlustší vrstvy rozhraní, které by se normálně mohly používat. Zlepšení kvality filmu bylo dosaženo pomocí různých metod. Jednou takovou metodou je přidání malých množství kyselin, jako je kyselina jodovodíková nebo kyselina bromovodíková, dříve diskutovaných v postu o čistotě MAI proti rozpustnosti chloridu olovnatého nebo nadbytku prekurzoru jodidu olovnatého.
Díky rozsáhlému výzkumnému úsilí bylo dosaženo efektivnosti více než 22% s použitím rotačního potahování a vysoké účinnosti bylo také dosaženo použitím jiných technik zpracování roztoku (jako je například štěrbinové nanášení ). To naznačuje, že zpracování perovskitů ve velkém měřítku je velmi proveditelné.
Budoucnost Perovskitů
Budoucí výzkum perovskitů se pravděpodobně zaměří na snížení rekombinace prostřednictvím strategií, jako je pasivace a redukce defektů, a také zvýšení účinnosti prostřednictvím zahrnutí 2D perovskitů a lépe optimalizovaných materiálů rozhraní. Vrstvy pro extrakci náboje se pravděpodobně přesunou z organických materiálů na anorganické, aby se zlepšila jak účinnost, tak stabilita. Zlepšení stability a snížení dopadu olova na životní prostředí bude pravděpodobně i nadále významnou oblastí zájmu.
Zatímco komercializace samostatných solárních článků perovskitů stále čelí překážkám, pokud jde o výrobu a stabilitu, jejich použití v tandemových buňkách c-Si / perovskite postupovalo rychle (s dosaženou účinností nad 25%) a je pravděpodobné, že perovskité poprvé uvidí FV trh jako součást této struktury. Kromě slunečního záření zůstává i nadále významný potenciál pro použití perovskitů v jiných aplikacích, jako jsou diody vyzařující světlo a odporové vzpomínky.
Perovskite Fabrication Video Guide
Pro ty, kteří právě začínají svůj perovskitový výzkum, jsme vytvořili videoprůvodce, který demonstruje celý proces výroby a měření perovskitových fotovoltaik. V našich vlastních laboratořích jsme dosáhli efektivity přesahující 11% s využitím této výrobní rutiny. Video níže obsahuje starší, přerušený model Ossila Spin Coater - pro zobrazení aktuálního modelu můžete navštívit stránku produktu zde .
Ossila Produkty pro solární články Perovskite
Oceněná platforma Solar Cell Prototyping Platform společnosti Ossila nabízí příkladnou vědeckou aplikaci a vliv na výzkum solárních článků. Jedná se o ucelený soubor podkladů, materiálů a zkušebních zařízení jako součást vysoce výkonné standardní fotovoltaické referenční architektury. Umožňuje výzkumným pracovníkům vyrábět vysoce kvalitní, plně funkční solární články, které mohou být použity jako spolehlivá základní linie.
Jak sami výzkumníci a vědci chápeme, jak je časově náročné získat odborné znalosti o všech materiálech, procesech a technikách potřebných pro výrobu vysoce kvalitního zařízení - a jak to může navzdory svému nejlepšímu úsilí někdy vést k nekonzistentnosti a nesouladu -výsledky.
Tuto platformu jsme vyvinuli s cílem umožnit vám zaměřit se na váš výzkum (namísto navrhování / získávání všech vašich vlastních komponent) a replikovat základní výkonnost. Významným přínosem této platformy je poskytování předem vzorovaných substrátů ITO a vysoce výkonných zařízení pro zpracování dat - což vede k významnému zvýšení rychlosti výroby zařízení pro solární články - což vám pomůže sbírat více dat, mnohem rychleji. Jako takové lze testovat více typů nových materiálů nebo variant architektury a shromažďovat lze další statistické údaje - zajišťující konzistenci a přesnost.
Na nejzákladnější úrovni je většina solárních článků na bázi perovskitů založena na skleněném substrátu s transparentním vodivým oxidem, s odpařenou kovovou katodou a vrchním zapouzdřením. Naše stávající substrátová infrastruktura a perovskitové materiály jsou již používány ve vysoce výkonných perovskitových zařízeních zpracovávaných roztokem. Naše standardní enkapsulační epoxidová směs se také perfektně hodí pro laminování skla nebo jiných bariérových vrstev - jak je uvedeno v dokumentu Snaith´s 2014 Nature.
Ossila Spin Coater je rutinně používán pro ukládání našeho rozhraní a aktivních vrstev s vysokou přesností a jednoduchou obsluhou.
Velmi užitečným společníkem Spin Coater (na obrázku nahoře) je Ossila Injekční pumpa . Může být použit pro automatické dávkování a kalení našich perovskitových vrstev pro získání vysoce kvalitních filmů. Naši akademičtí kolegové také udělali určitý vzrušující pokrok na solárních článcích zpracovaných perovskitem zpracovaných roztokem pomocí nástřiku na naše standardní podklady. Dále jsou perovskitové solární články charakterizovány testovacím systémem Ossila Solar Cell IV , který automaticky vypočítává metriky zařízení a může provádět měření stability.
I101 Perovskitový inkoust dostupný od Ossila. Je balen jako 10 jednotlivých lahviček obsahujících 0,5 ml roztoku. To je schopno potáhnout až 160 substrátů. I101 lze také zakoupit ve velkém (30 ml) s 25% slevou ve srovnání s našimi standardními objednávkami.
V posledních měsících jsme také spolupracovali s našimi akademickými spolupracovníky, aby přinesli na trh více produktů na bázi perovskitu, včetně: Vysoce čistého methylamoniumjodidu, methylamoniumbromidu , formamidiniumjodidu a formamidiniumbromidu. Také jsme vydali naši první sadu perovskitových inkoustů, první z nich je I101 (MAI: PbCl 2 ), která je navržena tak, aby mohla být zpracována ve vzduchu a prokázala účinnost v našich laboratořích až do 11,7%. Náš druhý inkoust I201 (MAI: PbCl 2 : PbI 2 ) je určen pro zpracování v dusíkové atmosféře a dosud jsme zaznamenali účinnost až 11,8%. Oba inkousty jsou navrženy tak, aby pomohly našim zákazníkům dosáhnout vysoké efektivity neuvěřitelně rychle, když začínají s výzkumem perovskitů. K optimalizaci výsledků patří optimalizované postupy zpracování s oběma inkousty.
