Der Wirkungsgrad von Perowskit-Solarzellen ist auf rund 26 % gestiegen. Die Produktion im großen Maßstab ist jedoch aufgrund traditioneller Methoden wie Spin-Coating immer noch eine Herausforderung. Um dieses Problem zu lösen, haben Forscher des Universität Rom Tor Vergata haben den Beschichtungsprozess verfeinert und so großflächige Photovoltaik-Solarmodule mit einem Wirkungsgrad von 12.6 % hergestellt. Dazu verwendeten sie eine Lochtransportschicht aus Nickeloxid in Umgebungsluft und einem ungiftigen Lösungsmittel.
Ziel der Studie – Demonstration der Fortschritte bei der Produktion von PV-Zellen im großen Maßstab, die langfristige Stabilität und Effizienz bieten.
12.6 % effizientere großflächige PV-Solarmodule
Um die Gleichmäßigkeit des Perowskitfilms zu verbessern, führten die Forscher selbstorganisierende Monoschichten zwischen den Schichten ein. Dadurch Module mit 110 cm2 aktiver Fläche erreichen einen Wirkungsgrad von 12.6 %Darüber hinaus behielten sie nach 84 Stunden bei 1,000 °C in der Luft 85 % ihrer ursprünglichen Effizienz.
Zur Herstellung von Perowskit-Solarzellen (PSCs) werden zwei Hauptarchitekturen verfolgt, die auf der Reihenfolge der Ladungstransportmaterialien basieren:
- Normal (Nippel)
- Invertiert (Stift)
Hier zeigen invertierte PSCs verbesserte Stabilität und reduziertes Hystereseverhalten. Dies macht sie für eine potenzielle Kommerzialisierung geeignet. Zur Herstellung von kompaktem Nickeloxid in großflächigen PV-Solarzellen werden verschiedene Abscheidungsverfahren eingesetzt, die in druckbare und nicht druckbare Verfahren unterteilt werden.
Obwohl druckbare Abscheidungstechniken verschiedene Vorteile bieten, besteht eine erhebliche Lücke zwischen kleinformatigen und großformatigen druckbaren NiOx-basierten PSCs. Beispielsweise ist der Übergang zu in der Umgebungsluft abgelagerte PSCs‘ Der Wirkungsgrad sank bei kleinen Modulen auf 20.7 % und bei großen Modulen mit 10.34 cm3.7 aktiver Fläche auf 2 %.
In der Studie angewandte Verfahren
Forscher entwickelten ein Verfahren zum Drucken von NiOx auf 15 x 15 cm große Substrate ohne Spin-Coating. Module mit 110 cm² aktiver Fläche wurden durch Rakeln von NiOx/MeO-2PACz/Perowskit und thermische Verdampfung hergestellt. Durch Optimierung der NiOx-Tinte und Hinzufügen einer selbstorganisierenden Monoschicht erreichte das beste Modul einen Wirkungsgrad von rund 2 %.
Als Ergebnis stellten die Forscher fest, dass diese Module hinsichtlich Stabilität, Effizienz und Leistung frühere großflächige PV-Module übertrafen.
Ergebnisse und Diskussion: NiOx Optimierung der Filmdicke und -gleichmäßigkeit
Nach der Abscheidung des NiOx-Films mittels Rakeln in einer NiCl2·6H2O-Lösung auf ITO-Substraten unter Umgebungsbedingungen. Anschließend wurden diese Filme bei 300° C fixiert, um Zersetzung und OxidationAnschließend wurde mit Hilfe von Luftsauerstoff der NiOx-Film erzeugt.
Die Forscher lagerten vier Konzentrationen auf Glas/ITO-Substraten ab: eine Referenzlösung mit 4 M, 0.15 M (0.075:1-Verdünnung), 1 M (0.050:1-Verdünnung) und 2 M (0.037:1-Verdünnung). Die mittels Ellipsometrie gemessene Filmdicke betrug mehr als 3 x 140 mm.
Die Variation der Filmdicke ist auf ungleichmäßiges Rakeln zurückzuführen, das sich mit höheren Lösungsmittelverhältnissen verbesserte. Filmdicke und Viskosität nahmen jedoch mit zunehmender Verdünnung ab. So verringerte sich die Dicke mit abnehmender Präkursorkonzentration und ergab folgende Werte: 42.2 nm (0.075 M), 40.0 nm (0.05 M) und 36.2 nm (0.037 M).
Die folgende Abbildung zeigt die Ergebnisse der Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) und der Röntgenreflektometrie (XRR). Beide Tests wurden zur Beurteilung der NiOx-Oxidation verwendet.
- XPS-Spektren zeigen, dass im Bereich von 850–860 eV 4 Peaks Ni, NiO (Ni²⁺), NiOH (Ni²⁺) und Ni2O3 (Ni³⁺) entsprachen.
- Die angegebenen Bindungsenergien von etwa 852.0, 853.5, 855 und 856 eV wurden durch Gauß-Anpassungen bestimmt. Dies entspricht den Literaturwerten.
- Ein dominanter NiO-Peak weist auf einen stark oxidierten Film hin. Sie gelten als geeignet für Anwendungen wie Lochtransportschichten in PSCs.
- Bei Konzentrationen von 1:1 ist die Oxidationseffizienz weiterhin deutlich, allerdings wurde auch ein Anstieg der Ni- und Ni203OXNUMX-Beiträge beobachtet. Dies deutet weiter darauf hin, dass die Oxidationseffizienz abnahm.
- Bei Konzentrationen von 1:2 und besserer Oxidation aus dünneren Filmen zeigt höheres Ni203OXNUMX mehr Ni³⁺.
- Eine weitere Verdünnung auf Konzentrationen von 1:3 zeigt einen Anstieg von Ni203OXNUMX im Verhältnis zu NiO. Dies deutet auf eine ungleichmäßige Filmdicke und Oxidation hin.
Insgesamt stellten die Forscher fest, dass eine verringerte Präkursorkonzentration mit einer erhöhten Nickeloxidkomplexität und höheren Oxidationsstufen korreliert. Der geringere NiO-Anteil verringert sich jedoch mit weniger Präkursor.
Erfahren Sie mehr über ETL-basierte bifaziale Perowskit-Solarzellen für flexible Geräte: eine Simulationsstudie
Ergebnis der XRR-Messung
Bei Röntgen-Resonanz-Messungen der Elektronendichte auf NiOx-beschichteten Substraten wurden keine Kiessig-Streifen beobachtet. Kritische Winkel korrelieren mit dem Streuvolumen, was Folgendes zeigt:
- Gleichmäßigkeit durch geringe Dispersion
- Heterogenität durch hohe Streuung
Mit abnehmender Vorläuferkonzentration stieg die Elektronendichte. Dies deutet deutlich darauf hin, dass dichtere Filme mit höherer Verdünnung aufgrund besserer Oxidation oder Verdichtung während des Temperns möglich sind. Dünnere Filme verbessern die Leistung von PV-Solarzellen, da sie weiterhin verbesserte Eigenschaften aufweisen.
Beobachtungen
- Am homogensten ist die Referenzprobe und die 1:2 konzentrierte NiOx-Abscheidung.
- Bei einer Konzentration von 1:3 wurde ein weniger gleichmäßiger Film festgestellt.
- Die Grenzflächen- bzw. Oberflächenrauheit wurde mithilfe der Fresnel-Reflektivität bestimmt. Für die Referenzprobe und die 1:2-Konzentration lag sie bei etwa 4.5 (5) nm. Dieser Wert bleibt über alle Muster hinweg konstant.
- Bei Proben aus 1:1- und 1:3-Konzentrationsplatten wurde eine höhere Rauheitsdispersion festgestellt. Die Werte für das 1:1-XRR-Profil liegen zwischen 2.5 (5) nm und etwa 4.5 (5) nm. Für das 1:3-XRR-Profil beträgt der Wert etwa 4.5 (5) nm bis etwa 7.0 (5) nm.
Schnittstellentechnik und Perowskit-Filmmorphologie
Diese Untersuchung von Perowskit-Solarmodulen konzentrierte sich auf die Abscheidung der Perowskit-Schicht und baute auf früheren Arbeiten mit einem zweistufigen Klingenbeschichtungsverfahren unter Verwendung ungiftiger Lösungsmittel. Wir haben einen Doppelkationen-Perowskit (Cs0.15FA0.85PbI3−xBrx) entwickelt, der durch optimierte Parameter und Additive zur Verbesserung der Filmqualität eingesetzt wird. Die zweistufige Abscheidung umfasst die Verwendung von PbI2-(FAI)0.3-(CsI)0.15 in DMSO, gefolgt von FAI/FABr in Isopropylalkohol, wobei vier Trocknungsmethoden vorgeschlagen wurden. In dieser Studie wurden diese Techniken auf starren Substraten getestet und hochwertige Filme auf 15 cm × 15 cm großen Substraten erzeugt. Dies ebnet den Weg für eine universelle grüne Perowskit-Formulierung für verschiedene Geräte und Substrate.
Durch SEM-Aufnahmen wurde deutlich, dass einige Defekte im PV-Film durch die nicht optimierte NiOx-Schicht (0.15 μM) verursacht wurden. Zu den Defekten zählen Nadellöcher und sichtbare Balken, die hauptsächlich auf eine ungleichmäßige Abscheidung zurückzuführen sind. In der optimierten NiOx-Schicht (0.05 μM) wurden hingegen weniger Defekte beobachtet, wie kleinere Partikel und weniger Nadellöcher.
Andere Studien weisen auf Folgendes hin:
- Die Ergebnisse der optimierten Schicht waren zwar besser als zuvor, das Auftreten von Nadellöchern blieb jedoch bestehen. Dies deutet auf eine große Herausforderung im Zusammenhang mit der Haftungsprobleme zwischen dem NiOx-Film und den PV-Vorläufertinten.
- Das UV-Ozon und Plasma-konventionelle Oberflächenbehandlungen wirken sich negativ auf den NiOx-Film aus. Dies verschlimmert die Schnittstellenprobleme, wie die Bildung von überschüssigem Pbl2. Dies kann als Lochextraktionsbarriere wirken. Reduzierung der Leerlaufspannung der Vorrichtung.
- Darüber hinaus geringe Leitfähigkeit des NiO kann die Leistung der Perowskit-Solarzellen beeinträchtigen.
Um all diese Probleme zu vermeiden und die oben genannten Situationen zu verbessern, verwendeten die Forscher eine selbstorganisierte Monoschicht (SAM) aus MeO-2PACz an der HTL/Perowskit-Grenzfläche.
Bei einem weiteren Versuch entdeckten die Forscher Ultrastabile 2D-Dion-Jacobson-Perowskite erreichen einen Wirkungsgrad von 19.11 %.
Beobachtungen
- Die SEM-Aufnahme des Perowskitfilms bestätigt die Wirksamkeit der verwendeten Methoden: SAM-Schicht.
- Die Perowskitfilme waren sehr gleichmäßig und wiesen keine Nadellöcher auf.
- Die ellipsometrische Dickenkarte zeigt, dass die erreichte durchschnittliche Filmdicke 570 mm betrug, was ebenfalls für die Gleichmäßigkeit sprach.
- Durch das Rakelverfahren entsteht ein Gradient mit einer Anfangsdicke von 700 nm. Gegen Ende der Beschichtung nimmt dieser zudem leicht ab.
- Durch die Verwendung der SAM-Schicht konnte jedoch eine gleichmäßige Verteilung erreicht und Haftungsprobleme konnten mit dieser Schicht gelöst werden. Das Ergebnis waren stabile und industrietaugliche Perowskit-Solarmodule.
Module und Langzeitstabilität von 12.6 % effizienten großflächigen PV-Solarmodulen
Die erfolgreiche Montage des Perowskit-Solarmoduls erfolgte durch die Verdampfung von C60/BCP als Elektronentransportschicht (ETL). Anschließend erfolgte die Laserritzung (P2) und die anschließende Verdampfung der Kupferelektrode. Der Prozess wurde mit der Ritzelung (P3) abgeschlossen. Die Eigenschaften des PV-Moduls mit 22 in Reihe geschalteten Zellen sind wie folgt:
- Effizienz – 12.6 %
- Kurzschlussstrom (ISC) – 98.13 mA
- Füllfaktor – 63.49 %
- Leerlaufspannung (VOC) – 22.3 V
- Hystereseindex nahe Eins – 1.02
Der Hystereseindex liegt nahe bei Eins und weist eine bemerkenswerte Leistungskonsistenz zwischen Vorwärts- und Rückwärtsmessung auf. Dies unterstreicht die zuverlässige Funktionsweise des Perowskit-Moduls.
Fazit
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Forschung die Skalierbarkeit großflächiger PV-Solarmodule mit einem Wirkungsgrad von 12.6 % für die kommerzielle Nutzung verbessert. Durch den Einsatz des Doctor-Blading-Verfahrens wurde die Herstellung großflächiger PSC-Module mit NiOx-HTL möglich. Das Endergebnis war eine ungiftige Perowskit-Formulierung. Die PSCs mit verbesserter Stabilität und Leistung zeigen schließlich ihr Potenzial für zukünftige Optimierungen und kommerzielle Anwendungen.
