تتميز خلايا البيروفسكايت الشمسية (PSCs) بتطبيقات متعددة، مما يجعلها جهازًا واعدًا للاستخدام اليومي. في هذه الدراسة، يُحسّن الباحثون خلايا البيروفسكايت الشمسية ثنائية الوجه القائمة على تقنية ETL للأجهزة المرنة من خلال المحاكاة. تتم العملية باختيار القطب الشفاف الأمامي (FTE)، وطبقة نقل الثقوب (HTL)، والقطب الشفاف الخلفي (RTE) المناسبين.
خلايا شمسية ثنائية الوجه من البيروفسكايت تعتمد على ETL للأجهزة المرنة
وقد لوحظ أن تم تحسين كفاءة تحويل الطاقة (PCE) لجهاز خلية البيروفسكايت بشكل كبيرأصبح هذا ممكنًا باستخدام بنية تشبه البئر ذات إزاحة صغيرة في نطاق التوصيل (CBO) عند واجهة FTE/البيروفسكايت. ومع ذلك، لوحظ انخفاض في الأداء مع انزياح تصاعدي في نطاق التكافؤ لـ HTL.
إضاءات
- لتحسين البيروفسكايت ثنائي الوجه الخالي من ETL للأجهزة المرنة.
- يمكن أن يؤدي الحد الأدنى من CBO في واجهة البيروفسكايت إلى تعزيز أداء الجهاز.
- تؤثر فجوة النطاق وتقارب الإلكترون في RTE بشكل كبير على أداء الجهاز.
- 1.4 إلكترون فولت من البيروفسكايت هو الأمثل.
- في كلا ظروف الإضاءة، يظهر الجهاز PCE >27%.
كفاءة تحويل الطاقة (PCE) للخلايا الشمسية البيروفسكايتية ارتفعت من 3.8% إلى 26.1% خلال عقد من الزمنومن ثم، فقد اكتسبت الخلايا الشمسية المصنوعة من هاليدات البيروفسكايت المعدنية العضوية وغير العضوية الكثير من الاهتمام في الآونة الأخيرة.
ومع ذلك، يتأخر تطوير الخلايا الجذعية متعددة القدرات المرنة بسبب ارتفاع درجة حرارة التلبيد لطبقة نقل الإلكترون (ETL). في الخلايا الجذعية متعددة القدرات المقلوبة، يركز الباحثون بشكل رئيسي على: استخدم [6,6]-فينيل-C61-حمض الزبدات ميثيل إستر (PCBM) كمذيب استخلاص ونقل لجعلها أكثر كفاءة. ولأن PCBM غالية الثمن، فإن دمجها في الجهاز يزيد من التكلفة الإجمالية للجهاز.
الباحثون بعد ذلك جربت PSCs الخالية من ETL وهي الأجهزة الأكثر واعدةً وقبولاً. يتميز هذا النهج بسهولة تكوينه، ويغني عن التحضير المعقد، مما يوفر الوقت والجهد اللازمين.
حقيقة سريعة:طور ليو وآخرون أول PCE وجود 13.5%.
تتمتع خلايا PCE الحالية بكفاءة تتراوح بين 20-22% ولكنها لا تزال متأخرة عن الركب بسبب معدل نقل الشحنة غير المتوازن.
سبب:عدم وجود حقل مدمج دائم عندما يكون ETL غائبًا.
النظر في مناهج مختلفة
درس الباحثون استخدام مُركِّزات، ومواد كهروضوئية ذات فجوتي نطاق مُميزتين أو أكثر مُرتَّبتين بالترادف، ونهج ثنائي الوجه. تهدف جميع هذه الحلول إلى تحسين أداء الجهاز وتشجيع اعتماد هذه التقنية على نطاق واسع. ونظرًا لبساطة التصميم ثنائي الوجه وانخفاض تكلفته، فإنه يزيد من كفاءة تحويل الطاقة بتكلفة أعلى قليلاً عن طريق إضافة قطب كهربائي خلفي شفاف.
يمكن للضوء أن يدخل النظام من كلا الطرفين عن طريق تركيب أقطاب كهربائية شفافة. بهذا، يمكن للألواح الشمسية ثنائية الوجه أن تحقيق أكثر من 30٪ أعلى من PCE بالمقارنة مع الألواح أحادية الوجه، تختلف هذه التقنية باختلاف العوامل، مثل زاوية الميل، وانعكاسية سطح الأرض، والارتفاع عن سطح الأرض، وغيرها. علاوة على ذلك، إذا جمعنا مزايا تقنية الخلايا الشمسية ثنائية الوجه والمرنة، فيمكن أن ننتج أجهزة فعالة ومتعددة الاستخدامات لحصاد الطاقة الشمسية.
تطبيقات الخلايا الجذعية ثنائية الوجه المرنة الخالية من ETL:
- مظلة قابلة للطي في المحلات التجارية
- أغطية النوافذ القابلة للطي
- على الأشرعة
- أو مظلة على الشاطئ
من الممكن معالجة الخلايا الجذعية المفردة المرنة (PSCs) بطريقة دورية، ويمكن تغليفها بطبقات مرنة منخفضة التكلفة. على الرغم من أن الخلايا الجذعية المفردة المرنة ثنائية الوجه تُعدّ تقنية جديدة، لا تزال قيد البحث والتطوير، إلا أنها حققت تقدمًا ملحوظًا.
في مبادرة، يقوم المختبر الوطني للطاقة المتجددة بتطوير شفرات توربينات الرياح من الراتنج القابل لإعادة التدوير.
بفضل المحاكاة، سهّل الباحثون تحديد المعلمات أو الخصائص المطلوبة للقطب الشفاف الخلفي (RTE). وهذا يُمكّنهم من تحقيق الأداء الأمثل للجهاز. في هذا العمل، قام الباحثون بمحاكاة ثنائي الوجه خالٍ من استخلاص وتحويل واستخراج المواد (ETL) كما هو موضح في الرسم التخطيطي التالي.
بمراقبة الخلايا الشمسية المرنة ذات الأقطاب الكهربائية المختلفة، وطبقات العيوب البينية، وطبقات نقل الثقوب، اكتشف الباحثون محاذاة النطاق والحواجز المحتملة لتحسين الأداء العام. علاوة على ذلك، تم تحقيق كفاءة تزيد عن 27% في ظل ظروف مختلفة عن طريق تحسين فجوة النطاق لامتصاص البيروفسكايت إلى 1.4 إلكترون فولت.
بنية الجهاز ومعلمات المحاكاة بيروفسكايت القائم على ETL
- استخدم الباحثون حزمة محاكاة سعة الخلية الشمسية أحادية البعد (SCAPS-1D) لمحاكاة الجهاز المقترح.
- كما تم استبدال الذهب بتصميم جهاز ثنائي الوجه من جهاز معتمد بطبقة مركبة شفافة من قطب كهربائي من النحاس/النحاس2O.
- تم استخدام FTO السلبي (PFTO) للعمل كـ FTE.
النتائج والمناقشة
تأثيرات القطب الشفاف الأمامي (FTE)
في خلايا PSC الخالية من ETL، يجب تصميم FTE بشفافية عالية ومحاذاة نطاق مُحسّنة لنقل الشحنات بكفاءة. كشف الباحثون عن أنواع مختلفة من FTEs مثل In2O3 المضاف إليه الزركونيوم (Zr:In2O3)، وأكسيد الإنديوم (ITO)، وأكسيد الزنك (ZnO) المضاف إليه الألومنيوم (Al:ZnO)، وأكسيد الفلورسنت (FTO) المُخمَّد/المُعدَّل. في درجات حرارة منخفضة، كان من السهل ترسيب هذه الأقطاب الكهربائية على ركيزة مرنة.
من مخطط النطاق التالي، يتضح أن CBO عند واجهة FTE القريبة من الصفر قد اكتسبت PCE أعلى. اتجاه المجال الكهربائي عند ITO معاكس لاتجاه واجهة HTL، مما لا يُناسب نقل الشحنات بكفاءة.
يُعتبر هذا حاجزًا محتملًا للإلكترونات المتدفقة نحو FTEs. يُظهر الجهاز ذو قيمة CBO الأصغر انخفاضًا في إعادة التركيب عند واجهة FTE وفقًا لملف إعادة التركيب. هناك زيادة في ألفة الإلكترونات لـ FTE مع تغير سلبي في CBO عند واجهة FTE. ويعود ذلك إلى اختلاف ألفة الإلكترونات بين الطبقات المتجاورة.
مع زيادة سُمك طبقات FTE، ينخفض مؤشر PCE للجهاز عند إضاءته من جانب FTO. مع ذلك، لم تُلاحظ أي تغييرات ملحوظة في الإضاءة الخلفية.
تأثير طبقة نقل الثقوب (HTL)
في هذه الدراسة، استُخدمت أنواع مختلفة من HTLs، مثل DM وCul وCu2O وCuSCN، على جهاز مرجع الأداء. يُظهر مخطط نطاق الطاقة التالي محاذاة نطاق الطاقة المُعدّلة عند واجهات البيروفسكايت أو HTL وHTL/RTE. عند الإضاءة من الخلف، تُظهر عملية إعادة التركيب في أجهزة Cul وCuSCN نفس أنماط إعادة التركيب SRH. تزداد احتمالية إعادة التركيب المباشر مع مستويات تكافؤ أعلى للطبقة المجاورة.
تأثير طبقات العيوب البينية
أثناء عملية التلدين الحراري، تُبرز عيوب الواجهة. وتزداد هذه العيوب إذا كانت الواجهة تفتقر إلى فراغ الأكسجين، أو عدم تطابق الشبكة، أو تركيبها الكيميائي. تتناول الدراسة 3 أنواع من واجهات العيوب المذكورة أدناه:
- HTL/القطب الخلفي: يحدث بسبب تفاعل القطب الخلفي مع HTL في وجود الأكسجين.
- TCO/البيروفسكايت: يؤدي الخلل في هذه الواجهة إلى شغور الأكسجين.
- بيروفسكايت/HTL: أي عيب في هذا يؤدي إلى عدم تطابق الشبكة.
- عند كثافة عيوب أقل من 10^16 سم−3، يبقى PCE للجهاز كما هو، مما يُظهر معدل إعادة تركيب أقل في طبقة الواجهة.
- مع تركيز أعلى من 10^16 سم−3، هناك زيادة في معدل إعادة التركيب، مما يقلل من كفاءة الجهاز.
- وبالمثل، مع زيادة سُمك طبقة عيب الواجهة، يحدث انخفاض خطي في كفاءة الجهاز (PCE)، مما يؤدي إلى زيادة معدل إعادة التركيب في منطقة عيب الواجهة (IDL).
تدعم هذه الظاهرة متطلبات تقليل العيب في واجهة PFTO/البيروفسكايت عبر التخميل أو أي طريقة معالجة مناسبة أخرى. يُفضل عادةً التخميل السطحي لتعديل شكله.
تأثير القطب الشفاف الخلفي (RTE)
هذه يحتل القطب الكهربي مكانة مهمة في تحديد الأداء العام للخلايا الجذعية ثنائية الوجههناك عاملان رئيسيان يؤثران على أداء الخلايا الشمسية ثنائية الوجه، وهما تقارب الإلكترونات وفجوة النطاق. تتميز الخلايا الشمسية ثنائية الوجه بتقارب إلكتروني أقل مقارنةً بنظيراتها أحادية الوجه، مما يؤثر على قيمة RTE بشكل كبير. يُلاحظ تغير من السالب إلى الموجب في VBO عند واجهة HTL/RTE مع زيادة قيمة فجوة النطاق لقيمة RTE.
في كلتا حالتي الإضاءة، يعرض الجهاز الحد الأقصى PCE عند VBO بمقدار +0.29 إلكترون فولت (فجوة النطاق ~2.4 إلكترون فولت). عندما تكون تقارب الإلكترون 3.3 إلكترون فولت لكلا نوعي الإضاءة مع VBO بقيمة +0.13 إلكترون فولت عند HTL/RTE، يتحسن أداء الجهاز.
مع زيادة تقارب الإلكترونات لـ RTE، يتحول VBO بين HTL/RTE نحو الموجب. تُظهر الدراسة أن الجهاز القائم على NAN يُظهر PCE أعلى للإضاءة الخلفية. وهذا يُشير إلى انخفاض شدة المجال الكهربائي في الاتجاه السالب في الأجهزة القائمة على NAN عند واجهة HTL/RTE. علاوة على ذلك، يزداد جهاز PCE بزيادة دالة الشغل، ويصبح مُشبعًا لدوال الشغل الكبيرة.
في بحث آخر وحدة الطاقة الشمسية الترادفية المصنوعة من السيليكون البيروفسكايت بكفاءة 28% من شركة بيرونوفا كانت مقدمة.
تحسين طبقة البيروفسكايت
كما ذكرنا سابقًا، قمنا بمحاكاة تركيبات مختلفة من الأجهزة باستخدام قيم مختلفة لـ FTE وHTL وRTE. يتناقص توليد حاملات الشحنة بزيادة طبقة امتصاص البيروفسكايت. في المقابل، تزداد المركبات العضوية المتطايرة (VOC) بزيادة الجهد الداخلي لطبقة الامتصاص. يصل جهاز PCE إلى فجوة نطاق مُحسّنة قدرها 1.4 إلكترون فولت، وفيما يلي بعض الأمثلة:
- إضاءة أمامية PCE 24.65%
- إضاءة خلفية PCE 25.48%
تم تقليل كثافة عيوب طبقة الامتصاص للبيروفسكايت من 8.0 × 10^14 سم−3 إلى 1.0 × 10^14 سم−3. يؤدي إلى زيادة في PCE للجهاز إلى 26.27% و26.45% للإضاءة الأمامية والخلفية.
علاوة على ذلك، بعد تحسين سمك طبقة الامتصاص إلى 800 نانومتر ثم تقليل كثافة العيب إلى 1.0 × 1014 سم−3. هذا يزيد من PCE للجهاز إلى 26.88% (إضاءة أمامية) و 27.35% (إضاءة خلفية).
استنتاجات
بناءً على ذلك، استنتج الباحثون استخدام حزمة محاكاة لتحسين أداء خلايا PSC ثنائية الوجه الخالية من ETL. من خلال دراسة تأثير مواد مختلفة على أداء الجهاز، لوحظ أن بعض المواد حسّنت الأداء بفضل خصائصها الخاصة. علاوة على ذلك، تُعدّ فجوة النطاق، وكثافة العيوب، وسمك طبقة امتصاص البيروفسكايت عوامل مهمة. وبالتالي، تم تحقيق كفاءة تحويل طاقة تزيد عن 27% من خلال تكوين مُحسّن للإضاءة الخلفية والأمامية.
مصدر: تحسين أداء الخلايا الشمسية البيروفسكايتية ثنائية الوجه الخالية من ETL للأجهزة المرنة: دراسة محاكاة
