Perowskit-Solarzellen (PSCs) sind vielseitig einsetzbar und daher ein vielversprechendes Gerät für den Alltag. In dieser Studie optimieren Forscher ETL-basierte bifaziale Perowskit-Solarzellen für flexible Geräte mittels Simulation. Der Prozess erfolgt durch die Auswahl der geeigneten vorderen transparenten Elektrode (FTE), Lochtransportschicht (HTL) und hinteren transparenten Elektrode (RTE).
ETL-basierte bifaziale Perowskit-Solarzellen für flexible Geräte
Es wurde beobachtet, dass die Die Leistungsumwandlungseffizienz (PCE) des Perowskit-Zellengeräts wurde deutlich verbessert. Dies wurde durch eine topfartige Struktur mit einem kleinen Leitungsbandversatz (CBO) an der Schnittstelle von FTE und Perowskit ermöglicht. Allerdings wurde eine Leistungsminderung bei einer Verschiebung des Valenzbandes von HTL nach oben beobachtet.
Highlights
- Optimierung des ETL-freien bifazialen Perowskits für flexible Geräte.
- Ein minimaler CBO an der Perowskit-Schnittstelle kann die Geräteleistung verbessern.
- Die Bandlücke und Elektronenaffinität von RTE wirken sich stark auf die Leistung des Geräts aus.
- 1.4 eV Perowskit ist der optimierte Wert.
- Für beide Beleuchtungsbedingungen zeigt das Gerät einen PCE von >27 % an.
Der Wirkungsgrad von Perowskit-Solarzellen hat stieg innerhalb eines Jahrzehnts von 3.8 % auf 26.1 %Daher haben organisch-anorganische Metallhalogenid-Perowskit-Solarzellen in letzter Zeit viel Aufmerksamkeit erlangt.
Die Entwicklung flexibler PSCs verzögert sich jedoch aufgrund der hohen Sintertemperatur der Elektronentransportschicht (ETL). Bei invertierten PSCs konzentrieren sich die Forscher hauptsächlich auf verwendete [6,6]-Phenyl-C61-Buttersäuremethylester (PCBM) als ETL um sie hocheffizient zu machen. Da PCBM teuer sind, erhöht ihre Integration in das Gerät die Gesamtkosten des Geräts.
Forscher damals ETL-freie PSCs ausprobiert Dies sind die vielversprechendsten und am besten geeigneten Geräte. Dieser Ansatz ermöglicht eine einfache Konfiguration und macht komplexe Vorbereitungen überflüssig, wodurch Zeit und Energie eingespart werden.
Schnelle Tatsache: Liu et al. entwickelten die erste PCE mit 13.5%.
Die aktuellen PCE-Zellen weisen einen Wirkungsgrad von 20–22 % auf, hinken aber aufgrund der unausgeglichenen Ladungsübertragungsrate immer noch hinterher.
Grund: Fehlen eines permanenten integrierten Felds, wenn ETL nicht vorhanden ist.
Verschiedene Ansätze berücksichtigen
Die Forscher erwogen den Einsatz von Konzentratoren, PV-Materialien mit zwei oder mehr unterschiedlichen Bandlücken in Tandemanordnung und einen bifazialen Ansatz. All dies zielt darauf ab, die Leistung des Geräts zu verbessern und eine breite Akzeptanz der Technologie zu fördern. Da das bifaziale Design einfach und kostengünstig ist, erhöht es die Effizienz der Energieumwandlung bei etwas höheren Kosten durch Hinzufügen einer transparenten Rückseitenelektrode.
Durch die Installation transparenter Elektroden kann Licht von beiden Seiten in das System eintreten. Damit können bifaziale Solarmodule potenziell erreichen einen um mehr als 30 % höheren PCE im Vergleich zu monofazialen Modulen. Es gibt jedoch verschiedene Faktoren, die diese bestimmen, wie z. B. Neigungswinkel, Bodenreflexion und Höhe über dem Boden usw. Die Kombination der Vorteile bifazialer und flexibler Solarzellentechnologie ermöglicht zudem effiziente und vielseitige Anlagen zur Solarenergiegewinnung.
Anwendungen von ETL-freien flexiblen bifazialen PSC:
- Faltbare Markise an den Geschäften
- Faltbare Fensterabdeckungen
- Auf den Segeln
- Oder ein Sonnenschirm am Strand
Flexible PSCs können im Rolle-zu-Rolle-Verfahren verarbeitet und mit kostengünstigen flexiblen Schichten verkapselt werden. Obwohl flexible bifaziale PSCs eine neue Technologie darstellen und sich noch in der Forschung und Entwicklung befinden, wurden bereits bemerkenswerte Fortschritte erzielt.
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Mithilfe der Simulation konnten Forscher die gewünschten Parameter oder Eigenschaften der hinteren transparenten Elektrode (RTE) leicht erreichen. Dies ermöglichte ihnen, die optimale Leistung des Geräts zu erzielen. In der vorliegenden Simulationsarbeit haben Forscher ETL-freie bifaziale Elektroden gemäß der folgenden Abbildung nachgebildet.
Durch die Beobachtung flexibler Solarzellen mit verschiedenen Elektroden, Grenzflächendefektschichten und Lochtransportschichten entdeckten die Forscher die Bandausrichtung und mögliche Barrieren zur Verbesserung der Gesamtleistung. Darüber hinaus erreichte unter verschiedenen Bedingungen einen Wirkungsgrad von >27 % durch Optimierung der Bandlücke des Perowskit-Absorbers auf 1.4 eV.
Aufbau des Gerätes und Simulationsparameter ETL-basierter Perowskit
- Zur Simulation des vorgeschlagenen Geräts verwendeten die Forscher das eindimensionale Solar Cell Capacitance Simulator-Paket (SCAPS-1D).
- Außerdem wurde für die Entwicklung eines bifazialen Geräts aus einem validierten Gerät Au durch eine transparente Elektroden-Verbundschicht aus Cu/Cu2O ersetzt.
- Als FTE wurde passiviertes FTO (PFTO) verwendet.
Resultate und Diskussion
Auswirkungen der vorderen transparenten Elektrode (FTE)
In ETL-freien PSCs sollte das FTE mit hoher Transparenz und verbesserter Bandausrichtung für einen effizienten Ladungstransport ausgelegt sein. Forscher haben verschiedene FTEs entdeckt, wie Zirkonium-dotiertes In2O3 (Zr:In2O3), ITO, aluminiumdotiertes ZnO (Al:ZnO) und passiviertes/modifiziertes FTO (PFTO). Bei niedrigeren Temperaturen war es einfach, diese Elektroden auf einem flexiblen Substrat abzuscheiden.
Aus dem folgenden Banddiagramm geht hervor, dass CBO an der FTE-Schnittstelle, die nahe 0 liegt, einen höheren PCE aufweist. Die Richtung eines elektrischen Felds an ITO ist der HTL-Schnittstelle entgegengesetzt, was für einen effizienten Ladungstransport ungeeignet ist.
Dies gilt als potenzielle Barriere für den Elektronenfluss zu FTEs. Geräte mit einem niedrigeren CBO-Wert weisen gemäß dem Rekombinationsprofil eine geringere Rekombination an der FTE-Grenzfläche auf. Die Elektronenaffinität von FTE nimmt mit einer negativen CBO-Änderung an der FTE-Grenzfläche zu. Dies ist auf die unterschiedliche Elektronenaffinität zwischen benachbarten Schichten zurückzuführen.
Mit zunehmender Dicke der FTE-Schichten sinkt der PCE des Geräts bei Beleuchtung von der FTO-Seite. Bei der Beleuchtung von hinten wurden jedoch keine signifikanten Änderungen beobachtet.
KAUST präsentiert 33.7 % effiziente und stabile Perowskit-Silizium-Tandem-Solarzellen.
Wirkung der Lochtransportschicht (HTL)
Für diese Studie wurden verschiedene HTLs wie DM, Cul, Cu2O und CuSCN auf dem Leistungsreferenzgerät verwendet. Das folgende Energiebanddiagramm zeigt die modifizierte Bandausrichtung an Perowskit- oder HTL- und HTL/RTE-Grenzflächen. Bei Beleuchtung von hinten zeigt die Rekombination in Cul- und CuSCN-Geräten die gleichen SRH-Rekombinationsprofile. Die Wahrscheinlichkeit einer direkten Rekombination ist mit höheren Valenzniveaus der angrenzenden Schicht höher.
Einfluss von Grenzflächendefektschichten
Beim thermischen Tempern werden Defekte an der Grenzfläche hervorgehoben. Diese Defekte werden gefördert, wenn die Grenzfläche keine Sauerstoffleerstellen, keine Gitterfehlanpassung und keine stöchiometrische Zusammensetzung aufweist. Die Studie spricht über 3 Arten von Defektschnittstellen, die unten erwähnt werden:
- HTL/Rückelektrode: Entsteht durch die Reaktion der Rückelektrode mit HTL in Gegenwart von Sauerstoff.
- TCO/Perowskit: Ein Defekt in dieser Schnittstelle führt zu Sauerstoffleerstellen.
- Perowskit/HTL: Jeder Defekt hier führt zu einer Gitterfehlanpassung.
- Bei einer Defektdichte von weniger als 10^16 cm−3 bleibt der PCE des Geräts unverändert. Es weist eine geringere Rekombinationsrate in der Grenzflächenschicht auf.
- Bei einer Konzentration über 10^16 cm−3 steigt die Rekombinationsrate, was die Effizienz des Geräts verringert.
- Mit zunehmender Dicke der Grenzflächendefektschicht nimmt der PCE des Geräts linear ab. Dies führt zu einer Erhöhung der Rekombinationsrate im IDL-Bereich.
Dieses Phänomen unterstützt die Forderung, Defekte an der PFTO/Perowskit-Grenzfläche durch Passivierung oder andere geeignete Verfahren zu reduzieren. Meistens wird die Oberflächenpassivierung bevorzugt, um die Oberflächenmorphologie zu verändern.
Wirkung der hinteren transparenten Elektrode (RTE)
Dieser Elektrode spielt eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der Gesamtleistung der bifazialen PSCsZwei Hauptfaktoren, die die Leistung bifazialer Solarzellen beeinflussen, sind Elektronenaffinität und Bandlücke. Bifaziale PSCs haben im Vergleich zu ihren einseitigen Gegenstücken einen niedrigeren PCE, was sich maßgeblich auf den RTE auswirkt. Ein Wechsel von negativ zu positiv im VBO an der HTL/RTE-Grenzfläche wird mit einer Erhöhung des Bandlückenwerts des RTE beobachtet.
Für beide Beleuchtungsverhältnisse zeigt das Gerät eine maximale PCE bei VBO von +0.29 eV (Bandlücke ~2.4 eV). Wenn die Elektronenaffinität für beide Beleuchtungsarten mit VBO von +3.3 eV bei HTL/RTE 0.13 eV beträgt, verbessert sich die Leistung des Geräts.
Mit zunehmender Elektronenaffinität der RTE verschiebt sich die VBO zwischen HTL/RTE ins Positive. Die Studie zeigt, dass das NAN-basierte Gerät eine höhere PCE bei Rückbeleuchtung aufweist. Dies deutet auf eine reduzierte elektrische Feldstärke in negativer Richtung in NAN-basierten Geräten an der HTL/RTE-Schnittstelle hin. Darüber hinaus steigt die PCE des Geräts mit zunehmender Austrittsarbeit an, und bei großen Austrittsarbeiten werden sie gesättigt.
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Optimierung der Perowskitschicht
Wie oben erläutert, haben wir verschiedene Gerätekombinationen mit unterschiedlichen FTE-, HTL- und RTE-Werten simuliert. Die Ladungsträgererzeugung nimmt mit zunehmender Perowskit-Absorberschicht ab. Im Gegensatz dazu steigt die VOC mit zunehmendem eingebauten Potenzial der Absorberschicht. Das PCE-Gerät erreicht eine optimierte Bandlücke von 1.4 eV. Weitere Werte sind wie folgt:
- Frontbeleuchtung PCE 24.65 %
- Rückbeleuchtung PCE 25.48 %
Die Defektdichte des Perowskits in der Absorberschicht wurde reduziert von 8.0 × 10^14 cm−3 bis 1.0 × 10^14 cm−3Es führt zu einer Erhöhung der Geräte-PCE auf 26.27 % und 26.45 % für Front- und Rückbeleuchtung.
Darüber hinaus wurde die Dicke der Absorberschicht optimiert, um 800 nm und anschließende Verringerung der Defektdichte auf 1.0 × 1014 cm−3. Dies erhöht die PCE des Geräts auf 26.88 % (Frontbeleuchtung) und 27.35 % (Rückbeleuchtung).
Schlussfolgerungen
Daraus schlussfolgern die Forscher, dass ein Simulationspaket zur Optimierung ETL-freier bifazialer PSCs eingesetzt werden sollte. Durch die Untersuchung des Einflusses verschiedener Materialien auf die Leistung des Geräts wurde festgestellt, dass bestimmte Materialien aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften die Leistung verbessern. Darüber hinaus sind Bandlücke, Defektdichte und Dicke wichtige Faktoren für die Perowskit-Absorberschicht. So wurde mit einer optimierten Konfiguration für Rück- und Frontbeleuchtung ein Wirkungsgrad von über 27 % erreicht.
