La eficiencia de las células solares de perovskita ha aumentado a aproximadamente un 26 %. Sin embargo, la producción a gran escala sigue siendo un desafío debido a métodos tradicionales como el recubrimiento por centrifugación. Para superar esto, investigadores de la Universidad de Roma Tor Vergata Han perfeccionado el proceso de recubrimiento de las palas para crear módulos solares fotovoltaicos de gran superficie con una eficiencia del 12.6 %. Para ello, han utilizado una capa de transporte de huecos de óxido de níquel en aire ambiente junto con un disolvente no tóxico.
Objetivo del estudio – Demostrar el progreso en la producción de células fotovoltaicas a gran escala que ofrezca estabilidad y eficiencia a largo plazo.
Módulos solares fotovoltaicos de gran superficie con una eficiencia del 12.6 %
Para mejorar la uniformidad de la película de perovskita, los investigadores introdujeron monocapas autoensambladas entre las capas. Como resultado, Los módulos con 110 cm2 de área activa alcanzan una eficiencia del 12.6 %Además, mantuvieron el 84% de su eficiencia inicial después de 1,000 horas a 85° C en el aire.
Para fabricar células solares de perovskita (PSC) se siguen dos arquitecturas principales basadas en el orden de los materiales de transporte de carga:
- Normal (pellizcar)
- Invertido (pin)
Aquí se muestran los PSC invertidos estabilidad mejorada y un comportamiento de histéresis reducido. Esto los hace aptos para su posible comercialización. Para producir óxido de níquel compacto en células solares fotovoltaicas de gran superficie, se utilizan diferentes métodos de deposición, que se clasifican en imprimibles y no imprimibles.
A pesar de que las técnicas de deposición imprimible ofrecen diversas ventajas, existe una brecha sustancial entre las PSC basadas en NiOx imprimibles a pequeña y a gran escala. Por ejemplo, la transición a PSC depositadas en el aire ambiente La eficiencia se redujo al 20.7% en pequeña escala y al 10.34% para módulos grandes con un área activa de 3.7 cm2.
Procedimientos adoptados en el estudio
Los investigadores establecieron un procedimiento para imprimir NiOx sobre sustratos de 15 cm x 15 cm sin necesidad de recubrimiento por centrifugación. Se fabricaron módulos con un área activa de 110 cm² mediante raspado de NiOx/MeO-2PACz/perovskita y evaporación térmica. Además, al optimizar la tinta NiOx y añadir una monocapa autoensamblada, el mejor módulo alcanzó un PCE de alrededor del 2 %.
Como resultado, los investigadores observaron que estos módulos superaron a los módulos fotovoltaicos de gran superficie anteriores en términos de estabilidad, eficiencia y rendimiento.
Resultados y discusión: NiOx Optimización del espesor y uniformidad de la película
Tras depositar la película de NiOx mediante raspado en una solución de NiCl₂·2H₂O sobre sustratos de ITO a temperatura ambiente, estas películas se anexaron a 6 °C para facilitar su aplicación. descomposición y oxidaciónLuego se utilizó oxígeno atmosférico para crear la película de NiOx.
Los investigadores depositaron cuatro concentraciones sobre sustratos de vidrio/ITO, que constituye una solución de referencia de 4 M, junto con 0.15 M (dilución 0.075:1), 1 M (dilución 0.050:1) y 2 M (dilución 0.037:1). El espesor de la película, medido mediante elipsometría, fue superior a 3 x 140 mm.
La variación en el espesor de la película se debe a una rasqueta no uniforme, que mejoró con mayores proporciones de disolvente. Sin embargo, el espesor de la película y la viscosidad disminuyeron con la dilución. Por lo tanto, el espesor disminuyó a medida que se diluía la concentración del precursor, resultando en: 42.2 nm (0.075 M), 40.0 nm (0.05 M) y 36.2 nm (0.037 M).
La siguiente figura muestra los resultados de la espectroscopia fotoelectrónica de rayos X (XPS) y la reflectometría de rayos X (XRR). Ambas pruebas se utilizaron para evaluar la oxidación del NiOx.
- Los espectros XPS muestran que en el rango de 850-860 eV, 4 picos correspondieron a Ni, NiO (Ni²⁺), NiOH (Ni²⁺) y Ni2O3 (Ni³⁺).
- Las energías de enlace indicadas, de aproximadamente 852.0, 853.5, 855 y 856 eV, se vincularon mediante ajustes gaussianos. Esto coincide con los valores de la literatura.
- Un pico dominante de NiO indica una película altamente oxidada. Se consideran adecuados para aplicaciones como capas de transporte de huecos en PSC.
- Con concentraciones 1:1, sigue siendo importante, pero también se observó un aumento en las contribuciones de Ni y Ni₂O₃. Esto sugiere, además, una reducción en la eficiencia de oxidación.
- Con concentraciones de 1:2 y una mejor oxidación a partir de películas más delgadas, un mayor contenido de Ni203 muestra más Ni³⁺.
- Una dilución adicional a concentraciones de 1:3 muestra un aumento de Ni₂O₃ con respecto a NiO. Esto sugiere falta de uniformidad en el espesor de la película y oxidación.
En general, los investigadores descubrieron que una menor concentración de precursor se correlaciona con una mayor complejidad del óxido de níquel y estados de oxidación más altos. Sin embargo, una menor contribución de NiO disminuye con una menor cantidad de precursor.
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Resultado de la medición de XRR
No se observaron franjas de Kiessig al examinar la densidad electrónica en sustratos depositados con NiOx mediante mediciones de XRR. Los ángulos críticos se correlacionan con el volumen de dispersión, lo que muestra lo siguiente:
- Uniformidad debido a la baja dispersión
- Heterogeneidad debido a alta dispersión
Se observó un aumento en la densidad electrónica al disminuir la concentración del precursor. Esto indica claramente que es posible obtener películas más densas con mayor dilución gracias a una mejor oxidación o compactación durante el recocido. Las películas más delgadas muestran una mejora en el rendimiento de las células solares fotovoltaicas, ya que aún presentan propiedades mejoradas.
Observaciones
- La más homogénea es la muestra de referencia y la deposición de NiOx concentrada 1:2.
- Se observó una película menos uniforme en la concentración 1:3.
- La rugosidad de la interfaz o superficie se estimó mediante la reflectividad de Fresnel. Para la muestra de referencia y una concentración 1:2, fue de aproximadamente 4.5 (5) nm. Este valor se mantiene constante en todos los patrones.
- Se observó una mayor dispersión de la rugosidad en muestras obtenidas de placas de concentración 1:1 y 1:3. Los valores para el perfil XRR 1:1 oscilan entre 2.5 (5) nm y aproximadamente 4.5 (5) nm. Para el perfil XRR 1:3, oscilan entre 4.5 (5) nm y aproximadamente 7.0 (5) nm.
Ingeniería de interfaz y morfología de la película de perovskita
Esta exploración de los módulos solares de perovskita se centró en la deposición de la capa de perovskita, basándose en trabajos previos con un proceso de dos pasos. método de recubrimiento de la cuchilla Utilizando disolventes no tóxicos. Desarrollamos una perovskita de doble catión (Cs₄₁FA₂₁PbI₃−xBrx) mediante parámetros optimizados y aditivos para mejorar la calidad de la película. La deposición en dos pasos implica el uso de PbI₂-(FAI)₃₀-(CsI)₃₀ en DMSO, seguido de FAI/FABr en alcohol isopropílico, con cuatro métodos de secado propuestos. Este estudio probó estas técnicas en sustratos rígidos, produciendo películas de alta calidad en sustratos de 0.15 cm × 0.85 cm, lo que allana el camino para una formulación universal de perovskita verde para diversos dispositivos y sustratos.
Mediante imágenes de SEM, se observó que algunos defectos en la película fotovoltaica se debían a la capa de NiOx no optimizada (0.15 M). Los defectos incluían poros y barras visibles, principalmente debidos a una deposición irregular. Por otro lado, se observaron menos defectos en la capa de NiOx optimizada (0.05 M), como partículas más pequeñas y menos poros.
Otros estudios indican lo siguiente:
- Sin embargo, los resultados en la capa optimizada fueron mejores que antes, pero la aparición de poros persistió. Esto indica un desafío importante relacionado con la Problemas de adhesión entre la película NiOx y las tintas precursoras fotovoltaicas.
- El ozono UV y tratamientos superficiales convencionales con plasma Tienen un efecto negativo en la película de NiOx. Esto agrava los problemas de la interfaz, como la formación de exceso de Pbl₂. Esto puede actuar como una barrera para la extracción de huecos. reduciendo el voltaje de circuito abierto del dispositivo.
- Además, el baja conductividad del NiO Puede ser perjudicial para el rendimiento de las células solares de perovskita.
Para evitar todos estos problemas y mejorar las situaciones mencionadas, los investigadores utilizaron una monocapa autoensamblada (SAM) de MeO-2PACz en la interfaz HTL/perovskita.
En otro intento, los investigadores descubrieron Las perovskitas Dion-Jacobson 2D ultraestables alcanzan una eficiencia del 19.11 %.
Observaciones
- La imagen SEM de la película de perovskita confirma la eficacia de los métodos utilizados: capa SAM.
- Las películas de perovskita eran muy uniformes y no presentaban poros.
- El mapa de espesor de elipsometría muestra que el espesor de película promedio alcanzado fue de 570 mm, lo que también favoreció la uniformidad.
- Debido al proceso de raspado, se observa un gradiente con un espesor inicial de 700 nm. Además, hacia el final del recubrimiento, este disminuye ligeramente.
- Sin embargo, se logró uniformidad mediante el uso de la capa SAM y se solucionaron los problemas de adhesión con la misma. El resultado fueron módulos solares de perovskita estables y listos para su uso industrial.
Módulos y estabilidad a largo plazo de módulos solares fotovoltaicos de gran superficie con una eficiencia del 12.6 %
Finalmente, el ensamblaje exitoso del módulo solar de perovskita se realizó mediante la evaporación de C60/BCP como capa de transporte de electrones (ETL). Posteriormente, se realizó el rayado láser P2 y la posterior evaporación del electrodo de cobre. Finalmente, el proceso concluyó con el rayado P3. Las características del módulo fotovoltaico con 22 celdas conectadas en serie son las siguientes:
- Eficiencia – 12.6%
- Corriente de cortocircuito (ISC) – 98.13 mA
- Factor de llenado – 63.49%
- Voltaje de circuito abierto (VOC) – 22.3 V
- Índice de histéresis cercano a la unidad: 1.02
Sin embargo, el índice de histéresis cercano a la unidad demuestra una notable consistencia en el rendimiento entre los escaneos de medición directa e inversa. Esto resalta la fiabilidad del funcionamiento del módulo de perovskita.
Conclusión
En conclusión, esta investigación mejora la escalabilidad de los módulos solares fotovoltaicos de gran superficie con una eficiencia del 12.6 % para uso comercial. Mediante el uso de rasquetas, fue posible crear un módulo PSC de gran superficie con NiOx HTL. El resultado final fue una formulación de perovskita no tóxica. Finalmente, los PSC, con una estabilidad y un rendimiento mejorados, demuestran su potencial para futuras optimizaciones y aplicaciones comerciales.
