Neben der Effizienz ist die Stabilität seit langem ein Problem bei Perowskit-PVs und ihren praktischen Anwendungen. Bislang sind solche stabilen Materialien für die Photovoltaik und die Datenlage dazu unzureichend. Forscher testen verschiedene Materialien, um bessere Erkenntnisse zu gewinnen. In dieser Forschungsstudie werden die ultrastabilen und effizienten Dion-Jacobson-Perowskit-Solarzellen für Photovoltaikanwendungen getestet.
Das Team hat erfolgreich blattbeschichtete Solarzellen mit skalierbarer Technologie für Dion-Jacobson (DJ)-Perowskite entwickelt, die zeigte eine Leistungsumwandlungseffizienz von rund 19.11 % unter verschiedenen Umgebungsbedingungen.
Ziel der Studie – Systematische Erforschung der wichtigsten Stabilitätsfaktoren von DJ-Materialien. Entwicklung von Richtlinien für die Entwicklung stabiler DJ-Perowskite für stabilisierte und effiziente skalierbare Solarzellen.
Leistung ultrastabiler und effizienter Dion-Jacobson-Perowskit-Solarzellen
2D-Perowskite werden aufgrund ihrer vorteilhaften photophysikalischen und strukturellen Eigenschaften 3D-Perowskiten vorgezogen. DJ-Typ-Perowskit mit ditopischen Diammoniumkationen verstärkt die Verbindung zwischen anorganischen Schichten und erhöht die Steifigkeit der Struktur. Dies erhöht ihre Stabilität zusätzlich. Verschiedene Studien an Ruddlesden-Popper- (RP) und Dion-Jacobson- (DJ) Perowskiten zeigen, dass letztere in der atmosphärischen Umgebung weniger stabil sind.
Zum BeispielBei den DJ-Perowskiten auf Basis von 1,4-Phenylendimethanammonium und m-Phenylendiammonium wurde innerhalb weniger Stunden eine schlechte Feuchtigkeitsstabilität beobachtet.
Gemäß der Strukturanalyse haben diese Materialien eine einzigartige Zwischenschichtverschiebungsquanten- und Brunnenkonfiguration, was sie von anderen DJ-Perowskiten unterscheidet. Dies führt zu einem geringeren Zwischenschichtabstand und einem optimierten Ladungstransport und einer optimierten strukturellen Integrität in der Zwischenschicht.
Bei Zwischenschichtkationen bewahrt die Verwendung von organischen Cycloalkylkationen die Elektronegativität und Flexibilität der Moleküle. Es ist auch vorteilhaft gegenüber Alkylketten- und Aryl-organischen Kationen. Bei diesem Ansatz wird die Gitterspannung effektiv minimiert, was letztendlich zu einer allgemeinen strukturellen Stabilität führt.
Highlights
- Einführung einer neuen Serie von DJ (CDMA 1, 4-Cyclohexandimethanammonium, n≥1) (MA)n-1Pbn3n+1 für stabile und effiziente Solarzellen.
- Diese nicht gekapselten Zellen behielten unter Alterungsbedingungen von ca. 92 % relativer Luftfeuchtigkeit (RH) über 4000 Stunden lang 90 % ihrer Effizienz.
- Diese Zellen weisen eine Betriebs- und Wärmestabilität von 85 °C auf.
- Kein Effizienzverlust nach 5000-stündiger Behandlung.
- Kein Effizienzverlust nach Betrieb bei 45 °C maximalem Leistungspunkt (MPPT) für über 6000 Stunden bei Dauerlicht (100 mW cm-2).
Der Prozess der Forschung
Mithilfe der skalierbaren Blade-Beschichtungstechnik wurde das Potenzial von DJ-Perowskiten für großflächige Solarzellen demonstriert. Die Referenzsolarzellen verwendeten den nominalen n=5 PDMA DJ-Perowskit. Diese sind für ihre verbesserte Bauteilstabilität bekannt und weisen ähnliche organische Molekülkonfigurationen auf.
| Eigenschaften der Zellen | Referenzgerät | Nominales Gerät n = 5 CDMA-basierte Perowskit-Solarzellen |
| PCE | 14.87% | 19.11% |
| Leerlaufspannung (VOC) | 1.06 V | 1.16 V |
| Kurzschlussstromdichte (JSC) | 18.32 mA cm−2 | 20.41 mA cm−2 |
| Füllfaktor | 76.46% | 80.56% |
Das Die höchste Effizienz für die Beschichtung von 2D-Perowskiten mit Klingen ist der PCE von CDMA, so die Forscher. Die folgende Abbildung zeigt die Stromdichte-Spannungs-Kurven (JV) der DJ-Solarzellen.
Externe Quanteneffizienz (EQE)
Die Forscher haben die Kurzschlussstromdichte (JSC) des Geräts mit EQE gemessen. Das PDMA-Gerät hat eine niedrigere EQE als CDMA. Über den Absorptionsbereich des sichtbaren Lichts hinweg JSC von PDMA war 17.57 und CDMA war 19.58 mA cm-2Diese Werte stimmten mit den gemessenen JSC unter dem Solarstimulator überein.
Stabilität der Solarzellen unter verschiedenen Bedingungen
Darüber hinaus untersuchten die Forscher die Stabilität dieser Zellen gegenüber Hitze, Lichtbelastung und Feuchtigkeit.
Leichte Belastung
Die Betriebsstabilität wurde in einer Handschuhbox mit Stickstoffatmosphäre mittels MPPT-Tracking unter einer simulierten weißen LED (Leuchtdiode) überprüft. Der Test erfolgte bei ca. 1 °C über mehr als 45 Stunden Alterung ohne Abwärtstrend.
- PDMA – PCE um ca. 30 % reduziert.
- CDMA – Leichte Schwankungen um ihre anfängliche Effizienz.
Hitze
Die thermische Stabilität der Solarzellen wurde auf einer Heizplatte bei 85° C überprüft.
- PDMA – 50 % Rückgang der ursprünglichen Effizienz.
- CDMA – Vernachlässigbare Effizienz auch nach 5000 Stunden.
Dies bestätigt die überlegene Wärmetoleranz von CDMA-Perowskitzellen.
Feuchtigkeit
Die nicht eingekapselten Solarzellen wurden in einer Kammer mit konstanter Luftfeuchtigkeit von etwa 90 % relativer Luftfeuchtigkeit bei etwa 22 °C gelagert. Dies hat die folgenden Auswirkungen auf beide Geräte.
- PDMA – Schneller Abfall des PCE auf Null nach 500 Stunden Alterung.
- CDMA – Zeigt nach 92 Stunden Alterung eine Anfangseffizienz von etwa 4394 %.
Beim Vergleich der gealterten Geräte stellten wir fest, dass die aktive Schicht der PDMA-basierten Geräte farblos geworden ist, während die CDMA-basierten Geräte keine sichtbare Verfärbung aufweisen. Dies bestätigt, dass CDMA-DJ-Perowskite eine hohe Feuchtigkeitstoleranz aufweisen. Laut der unten gezeigten konsolidierten Abbildung ist die CDMA-Serie laut den Forschern die beste zwischen 2D- und 3D-Perowskit-Solarzellen.
Forscher der Soochow-Universität steigern strategisch die Effizienz organischer Solarzellen.
Geräteeigenschaften
Charakterisierung des Geräts
Die folgende Abbildung zeigt die statistische Verteilung des berechneten Hysteresefaktors. Er wurde anhand des PCE von PDMA- und CDMA-Solarzellen gemessen. Dies deutet auf eine relativ geringe und stabile Hystereseverteilung bei CDMA hin, was zur Herstellung stabiler und skalierbarer Solarzellen für praktische Anwendungen beitragen könnte.
Charakterisierung der Perowskitfilme
Die Forscher verwendeten Top-View-Rasterelektronenmikroskopie (SEM), um die Morphologie von Perowskitfilmen zu untersuchen.
Gemäß der Beobachtung gab es eine gleichmäßige Kornverteilung in PDMA Perowskit-Filme. Während CDMA eine deutliche Vergrößerung der Korngrößen zusammen mit einigen kleinen 2D-Wafern, die die entsprechenden Korngrenzen abdecken. Dies beinhaltet möglicherweise eine Selbstpassivierung der Schnittstelle, um die Stabilität zu gewährleisten. Darüber hinaus ermöglicht es die Durchführung von UV-Vis-Absorptionsspektren und XRD-Messungen der Klingenbeschichtung.
CDMA-Filme haben eine relativ schmalere Halbwertsbreite (FWHM) zusammen mit der stärkeren Intensität der Beugungsspitzen. Dies deutet auf eine verbesserte Kristallinität und vergrößerte Korngrößen hin Scherrer-Gleichung.
Gemäß den UV-Vis-Absorptionsspektren weisen beide DJ-Perowskitfilme eine zweidimensionale Phasenverteilung auf. Die hohe Intensität von CDMA deutet jedoch auf eine ausgeprägte zweidimensionale Phasenverteilung hin, die sich positiv auf die kurzwellige Absorption und die Filmstabilität auswirkt.
Die Beobachtung der Weitwinkel-Röntgenstreuung unter streifendem Einfall (GIWAXS) zeigt, dass CDMA relativ starke und diskrete Bragg-Flecken aufweist. Dies deutet auf eine bessere Kristallisation hin, die den Ladungstransport begünstigt.
Eine Studie von Wissenschaftlern der HKUST kommt zu dem Schluss Das Entfernen von Konkavitäten verbessert die Stabilität von Perowskitfilmen
Charakterisierung von Dehnung und Stabilität von DJ Perovskite Films
Ausgewählte Forscher 2 Tiefen zur Untersuchung der Restspannung in beiden Geräten gemäß der durch die TA-Charakterisierung gezeigten Phasenverteilung. Im Material wurde ein oberflächlicher Bereich mit 3D-ähnlichen Phasen und eine hohe Konzentration von 2D-Perowskiten in einem tieferen Bereich beobachtet. Laut der Abbildung unten ist die streifender Röntgenstrahlbeugung (GIXRD) von PDMA-Perowskitfilmen war relativ zu 310 Kristallebene.
Es gab eine Rechtsverschiebung der Beugungsspitzen mit zunehmendem Ψ (0° bis 45°). Dies zeigt weiterhin eine allmähliche Abnahme des Kristallebenenabstands und dass der Film einer Druckspannung ausgesetzt ist.
In 2D-Perowskit-reichen Regionen, PDMA-Filme zeigen eine linksgerichtete Verschiebung, gefolgt von einem Anstieg der Ψ-Werte. Es gab eine leichte Abweichung von der linearen Anpassungsrichtung im Variationstrend. Dies deutet auf eine ungleichmäßige Verteilung der 2D-Perowskit-Phasen hin, die sich negativ auf die Stabilität und Leistung des Geräts auswirkt. Im Gegenteil, in CDMA-Filme, vernachlässigbare Verschiebung wobei ein Anstieg von Ψ in beiden Regionen erkennbar war.
Die Ergebnisse nach Berechnung der Restspannung mittels Williamson-Hall-Diagrammen waren konsistent. Dies deutet darauf hin, dass DJ-Perowskit nahezu restspannungsfrei ist und diese Eigenschaft zu seiner Stabilität beiträgt.
Nach einem Monat Lagerung wandelte sich die schwarze Phase des Films vollständig um und zerfiel in eine Phase mit breiter Bandlücke. Während bei CDMA-Filmen nach 100 Tagen Lagerung bemerkenswerte Feuchtigkeitsstabilität ohne Verunreinigungsbeugungsspitzen wurde festgestellt.
Zusätzlich wurde die Wasserbeständigkeit der Filme durch Messung des Wasserkontaktwinkels auf der Filmoberfläche untersucht. CDMA weist eine großer Wasserkontaktwinkel (51°) und PDMA hat kleinere Winkel (41°)Dies deutet auf eine hohe Wasserbeständigkeit der CDMA-Perowskit-Filme hin. Die dynamischen Kontaktwinkelkurven in der Abbildung unten bestätigen die hervorragende Wasserbeständigkeit der CDMA-Perowskit-Filme.
Fazit
Forscher entdeckten, dass die Einbindung flexibler organischer Kationen in die Zwischenschichtverschiebung die strukturelle Stabilität der DJ-Perowskit-Konfiguration verbessern kann. Darauf aufbauend entwickelten die Forscher eine Reihe von Zwischenschichtverschiebungs-DJ-Perowskiten. Die Materialien wurden anschließend im Klingenbeschichtungsprozess eingesetzt. Dadurch wurden höhere Effizienz und Stabilität erreicht. Darüber hinaus wurde in Alterungstests eine minimale Verschlechterung des Geräts festgestellt.
Insgesamt kommen die Forscher zu dem Schluss, dass die neu entwickelte Serie das Potenzial hat, stabile 2D-Perowskite zu konstruieren, die für verschiedene Anwendungen eingesetzt werden können.
