إلى جانب الكفاءة، لطالما كان الاستقرار مصدر قلق فيما يتعلق بخلايا البيروفسكايت الكهروضوئية وتطبيقاتها العملية. حتى الآن، لا تزال هذه المواد المستقرة والبيانات المتعلقة بها غير كافية، ويحاول الباحثون تجربة مواد مختلفة لجمع معلومات أفضل. في هذه الدراسة البحثية، يتم اختبار خلايا ديون-جاكوبسون الشمسية البيروفسكايت فائقة الاستقرار والكفاءة لتطبيقات الطاقة الكهروضوئية.
نجح الفريق في تصميم خلايا شمسية مغلفة بالشفرات باستخدام تقنية قابلة للتطوير لبيروفسكايت ديون جاكوبسون (DJ) والتي أظهرت كفاءة تحويل الطاقة حوالي 19.11% في ظروف بيئية مختلفة.
الهدف من الدراسة إجراء بحث منهجي حول العوامل الرئيسية لاستقرار مواد DJ. إيجاد إرشادات لتصميم بيروفسكايت DJ مستقر لخلايا شمسية مستقرة وفعالة وقابلة للتطوير.
أداء الخلايا الشمسية ديون-جاكوبسون بيروفسكايت فائقة الاستقرار والكفاءة
يُفضَّل استخدام البيروفسكايت ثنائي الأبعاد على ثلاثي الأبعاد نظرًا لخصائصه الضوئية والبنيوية المتميزة. يُقوّي البيروفسكايت من نوع DJ، المُزوَّد بكاتيونات ثنائي الأمونيوم ثنائية التوضع، الترابط بين الطبقات غير العضوية، ويزيد من صلابة البنية، مما يُعزز استقرارها. دراسات مختلفة أظهرت الدراسات على البيروفسكايتات Ruddlesden-Popper (RP) وDion-Jacobson (DJ) أن الأخير أقل استقرارًا في البيئة الجوية.
مثلا، لوحظ ضعف استقرار الرطوبة في غضون ساعات قليلة في البيروفسكايتات DJ القائمة على 1,4،XNUMX-فينيلين ميثان أمونيوم و m-فينيلين دي أمونيوم.
وفقًا للتحليل الهيكلي، فإن هذه المواد لها تكوين الكم البئري والإزاحة بين الطبقات الفريدةمما يميزها عن غيرها من مواد دي جي بيروفسكايت. يؤدي هذا إلى تباعد أقل بين الطبقات وتحسين نقل الشحنات وسلامتها الهيكلية.
بالنسبة لكاتيونات الطبقات البينية، فإن استخدام كاتيونات سيكلوألكيل العضوية يحافظ على السالبية الكهربية ومرونة الجزيئات. كما أنه مفيد على الكاتيونات العضوية ذات السلسلة الألكيلية والأريليةيقلل هذا النهج من إجهاد الشبكة بشكل فعال، مما يؤدي في النهاية إلى الاستقرار الهيكلي الشامل.
إضاءات
- تقديم سلسلة جديدة من DJ (CDMA 1، 4-cyclohexanedimethanammonium، n ≥1) (MA)n-1Pbn3n+1 للخلايا الشمسية المستقرة والفعالة.
- احتفظت هذه الخلايا غير المغلفة بنسبة 92% من كفاءتها لأكثر من 4000 ساعة في ظل ظروف الشيخوخة التي تصل إلى حوالي 90% من الرطوبة النسبية.
- تظهر هذه الخلايا استقرارًا تشغيليًا وحراريًا عند درجة حرارة 85 درجة مئوية.
- لا يوجد فقدان للكفاءة بعد 5000 ساعة من العلاج.
- لا يوجد فقدان للكفاءة بعد التشغيل عند نقطة القدرة القصوى 45 درجة مئوية (MPPT) لأكثر من 6000 ساعة تحت ضوء مستمر (100 ميغاواط سم -2).
عملية البحث
استُخدمت تقنية ترسيب طلاء الشفرات القابلة للتطوير لإظهار إمكانات بيروفسكايت DJ في الخلايا الشمسية واسعة النطاق. استخدمت الخلايا الشمسية المرجعية بيروفسكايت DJ PDMA الاسمي n=5. تشتهر هذه المواد بتعزيز استقرار الجهاز، ولها تكوينات جزيئية عضوية متشابهة.
| خصائص الخلايا | جهاز مرجعي | الجهاز الاسمي n = 5 خلايا شمسية بيروفسكايتية تعتمد على CDMA |
| PCE | 14.87% | 19.11% |
| جهد الدائرة المفتوحة (VOC) | 1.06 فولت | 1.16 فولت |
| كثافة تيار الدائرة القصيرة (JSC) | 18.32 مللي أمبير سم−2 | 20.41 مللي أمبير سم−2 |
| عامل التعبئة | 76.46% | 80.56% |
استخدم أعلى كفاءة لطلاء الشفرات البيروفسكايتية ثنائية الأبعاد هي PCE لـ CDMAوفقًا للباحثين، يوضح الشكل التالي منحنيات كثافة التيار والجهد (JV) لخلايا DJ الشمسية.
قام الباحثون بقياس كثافة تيار الدائرة القصيرة (JSC) للجهاز باستخدام EQE. يتمتع جهاز PDMA بـ EQE أقل من CDMA. فوق منطقة امتصاص الضوء المرئي، كان JSC لـ PDMA 17.57 وكان CDMA 19.58 مللي أمبير سم-2. تتوافق هذه القيم مع JSC المقاسة تحت المحفز الشمسي.
استقرار الخلايا الشمسية في ظل ظروف مختلفة
علاوة على ذلك، قام الباحثون بدراسة استقرار هذه الخلايا تحت الحرارة والإجهاد الضوئي والرطوبة.
إجهاد الضوء
تم فحص استقرار التشغيل تحت غطاء نيتروجيني جوي باستخدام تتبع MPPT، ومصباح LED أبيض مُحاكي (ثنائي باعث للضوء). أُجري الاختبار عند درجة حرارة حوالي 1 درجة مئوية لمدة تزيد عن 45 ساعة، مع الحفاظ على عمر افتراضي دون أي انخفاض.
- PDMA - انخفاض مصروفات الاستهلاك الشخصي بنحو 30%.
- سى دى ام ايه - تذبذب طفيف حول كفاءتها الأولية.
حرارة
تم فحص الاستقرار الحراري للخلايا الشمسية على صفيحة ساخنة عند 85 درجة مئوية.
- PDMA - انخفاض في الكفاءة الأولية بنسبة 50%.
- سى دى ام ايه - كفاءة لا تذكر حتى بعد 5000 ساعة.
يؤكد هذا على التحمل الحراري العالي لخلايا البيروفسكايت CDMA.
رطوبة
تم تخزين الخلايا الشمسية غير المغلفة في حجرة ذات رطوبة ثابتة، حوالي 90% عند درجة حرارة حوالي 22 درجة مئوية. هذا يُسبب التأثيرات التالية على كلا الجهازين.
- PDMA - انخفاض سريع في PCE إلى الصفر بعد 500 ساعة من الشيخوخة.
- سى دى ام ايه - يظهر كفاءة أولية تصل إلى حوالي 92% بعد 4394 ساعة من الشيخوخة.
بمقارنة الأجهزة القديمة، نجد أن الطبقة النشطة للأجهزة القائمة على PDMA أصبحت عديمة اللون، بينما لا يظهر أي تغير واضح في لون الأجهزة القائمة على CDMA. هذا يؤكد أن خلايا البيروفسكايت CDMA DJ تتمتع بتحمل عالٍ للرطوبة. ووفقًا للصورة المُدمجة أدناه، فإن سلسلة CDMA هي الأفضل بين خلايا البيروفسكايت الشمسية ثنائية وثلاثية الأبعاد، وفقًا للباحثين.
يعمل باحثو جامعة سوشو على تعزيز كفاءة الخلايا الشمسية العضوية بشكل استراتيجي.
خصائص الجهاز
توصيف الجهاز
يوضح الشكل التالي التوزيع الإحصائي لعامل الهستيريسيس المحسوب. وقد تم قياسه من خلال PCE لخلايا PDMA وCDMA الشمسية. يشير هذا إلى توزيع هيستيريسيس منخفض ومستقر نسبيًا في CDMA، مما قد يُسهم في إنتاج خلايا شمسية مستقرة وقابلة للتطوير للتطبيقات العملية.
توصيف أفلام البيروفسكايت
استخدم الباحثون المجهر الإلكتروني الماسح من أعلى (SEM) لدراسة مورفولوجيا أفلام البيروفسكايت.
وفقًا للملاحظة، كان هناك توزيع الحبوب الموحد في PDMA أفلام البيروفسكايت. في حين أن تقنية CDMA لديها تضخم واضح في أحجام الحبوب إلى جانب بعض الرقاقات الصغيرة ثنائية الأبعاد التي تغطي حدود الحبيبات المقابلة. قد يتضمن هذا التخميد الذاتي للواجهة لضمان الاستقرار. بالإضافة إلى ذلك، يُمكّن من قياس أطياف امتصاص الأشعة فوق البنفسجية المرئية (UV-Vis) وقياسات حيود الأشعة السينية (XRD) لطلاء الشفرة.
تتمتع أفلام CDMA بعرض كامل أضيق نسبيًا عند نصف الحد الأقصى (FWHM) إلى جانب شدة أعلى لقمم الحيود. يشير هذا إلى تحسّن في التبلور وزيادة في أحجام الحبوب وفقًا لـ معادلة شيرر.
وفقًا لأطياف امتصاص الأشعة فوق البنفسجية والمرئية، يتميز كلا غشاءي البيروفسكايت DJ بتوزيع طور ثنائي الأبعاد. ومع ذلك، يتميز CDMA بكثافة عالية، مما يشير إلى توزيع طور ثنائي الأبعاد وفير، مما يعزز امتصاص الموجات القصيرة واستقرار الغشاء.
تُظهر مراقبة تشتت الأشعة السينية واسعة الزاوية (GIWAXS) لسقوط الاحتكاك أن CDMA تتميز ببقع براغ قوية ومنفصلة نسبيًا. وهذا يدل على تبلورها الأفضل، مما يُعزز نقل الشحنة.
توصلت دراسة أجراها علماء جامعة هونج كونج للعلوم والتكنولوجيا إلى إزالة التقعرات يحسن استقرار أفلام البيروفسكايت
توصيف الانفعال والاستقرار من أفلام دي جي بيروفسكيت
الباحثون المختارون 2 عمق للتحقيق في الإجهاد المتبقي في كلا الجهازين وفقًا لتوزيع الطور الموضح في توصيف التحليل الطيفي. لوحظت منطقة سطحية تتميز بأطوار ثلاثية الأبعاد وتركيز عالٍ من البيروفسكايتات ثنائية الأبعاد في منطقة أعمق في المادة. وفقًا للصورة أدناه، حيود الأشعة السينية للرعي الساقط (GIXRD) لأغشية البيروفسكايت PDMA كانت نسبة إلى مستوى البلورات 310.
كان هناك التحول نحو اليمين في قمم الحيود مع زيادة Ψ (من ٠ إلى ٤٥ درجة). يُظهر هذا أيضًا انخفاضًا تدريجيًا في مسافة مستوى البلورة ووجود إجهاد ضغط على الفيلم.
في المناطق الغنية بالبيروفسكايت ثنائية الأبعاد، تظهر أفلام PDMA اتجاهًا يساريًا انزياحٌ متبوعٌ بزيادةٍ في قيم Ψ. كان هناك انحرافٌ طفيفٌ عن اتجاه التجهيز الخطي في اتجاه التباين. هذا يشير إلى توزيعٍ غير متساوٍ لأطوار البيروفسكايت ثنائية الأبعاد، مما يؤثر سلبًا على استقرار الجهاز وأدائه. على العكس من ذلك، في أفلام CDMA، إزاحة ضئيلة مع زيادة Ψ في كلتا المنطقتين كان واضحا.
كانت النتائج متسقة بعد حساب الإجهاد المتبقي باستخدام مخططات ويليامسون-هول. يشير هذا إلى أن بيروفسكايت دي جي خالٍ تقريبًا من الإجهاد المتبقي، وهذه الخاصية تُسهم في استقراره.
بعد تخزينها لمدة شهر، تحوّلت المرحلة السوداء من الفيلم تمامًا وتحللت إلى مرحلة ذات فجوة نطاق واسعة. بينما في أفلام CDMA، بعد 100 يوم من التخزين، لوحظت نتائج ملحوظة تم ملاحظة استقرار الرطوبة دون قمم حيود الشوائب.
بالإضافة إلى ذلك، تم فحص مقاومة الأفلام للماء عن طريق قياس زوايا ملامسة الماء على سطح الفيلم. يُظهر CDMA زاوية اتصال كبيرة بالماء (51 درجة) و PDMA لديه زوايا أصغر (41 درجة)يشير هذا إلى مقاومة عالية للماء لأغشية البيروفسكايت CDMA. تؤكد منحنيات زاوية التلامس الديناميكية الموضحة في الصورة أدناه مقاومة الغمر الممتازة لأغشية البيروفسكايت CDMA.
خاتمة
نتيجةً لذلك، اكتشف الباحثون أن دمج الكاتيونات العضوية المرنة في إزاحة الطبقات البينية يُمكن أن يُحسّن الاستقرار الهيكلي لتكوين بيروفسكايت DJ. بناءً على ذلك، صمم الباحثون سلسلة من بيروفسكايت DJ ذات إزاحة الطبقات البينية. علاوةً على ذلك، طُبّقت المواد في عملية طلاء الشفرة، مما أدى إلى تحقيق كفاءة واستقرار أعلى. علاوةً على ذلك، كان هناك أيضًا حدٌّ أدنى من التدهور في الجهاز خلال اختبارات التقادم.
وفي المجمل، خلص الباحثون إلى أن السلسلة التي تم تطويرها حديثًا لديها القدرة على بناء البيروفسكايتات ثنائية الأبعاد المستقرة والتي يمكن استخدامها في تطبيقات مختلفة.
