Tehokkuuden lisäksi stabiilius on ollut pitkään huolenaihe perovskiittisille aurinkokennoille ja niiden käytännön sovelluksille. Toistaiseksi tällaiset vakaat materiaalit aurinkosähköille ja niitä koskevat tiedot ovat riittämättömiä, ja tutkijat yrittävät eri materiaaleja saada paremman käsityksen. Tässä tutkimuksessa testataan ultrastabiileja ja tehokkaita Dion-Jacobsonin perovskiittisia aurinkokennoja aurinkosähköihin.
Tiimi on onnistuneesti suunnitellut teräpinnoitettuja aurinkokennoja skaalautuvalla teknologialla Dion-Jacobsonin (DJ) perovskiiteille, jotka osoitti noin 19.11 % tehon muunnostehokkuutta erilaisissa ympäristöolosuhteissa.
Tutkimuksen tavoite – Suorittaa systemaattista tutkimusta DJ-materiaalien vakavuuden avaintekijöistä. Löytää ohjeet vakaiden DJ-perovskiittien suunnitteluun stabiloituihin ja tehokkaisiin skaalautuviin aurinkokennoihin.
Ultrastabiilien ja tehokkaiden Dion-Jacobson Perovskite -aurinkokennojen suorituskyky
2D-perovskiitteja on suosittu 3D-perovskiitteihin niiden toivottavien fotofysikaalisten ja luontaisten rakenteellisten ominaisuuksien vuoksi. DJ-tyyppinen perovskiitti ditooppisilla diammoniumkationeilla vahvistaa epäorgaanisten kerrosten välistä yhteyttä ja lisää rakenteen jäykkyyttä. Tämä lisää sen vakautta entisestään. Eri tutkimuksia Ruddlesden−Popperin (RP) ja Dion-Jacobsonin (DJ) perovskiiteilla osoittavat, että jälkimmäinen on vähemmän stabiili ilmakehän ympäristössä.
Esimerkiksi1,4-fenyleenidimetaaniammonium- ja m-fenyleenidiammoniumpohjaisissa DJ-perovskiiteissa havaittiin heikko kosteudenkestävyys muutamassa tunnissa.
Rakenneanalyysin mukaan näillä materiaaleilla on a ainutlaatuinen välikerrossiirtymäkvantti ja kaivon konfiguraatio, mikä erottaa ne muista DJ-perovskiiteista. Tämä johtaa pienempään kerrosten väliseen etäisyyteen ja optimoituun varauksen kuljetukseen ja rakenteelliseen eheyteen välikerroksessa.
Kerrostenvälisten kationien tapauksessa sykloalkyyliorgaanisten kationien käyttö säilyttää molekyylien elektronegatiivisuuden ja joustavuuden. Se on myös edullisempi alkyyliketju- ja aryyliorgaanisiin kationeihin verrattuna. Hilajännitys minimoi tehokkaasti tässä lähestymistavassa, mikä lopulta johtaa yleiseen rakenteelliseen vakauteen.
Poimintoja
- Uusi DJ-sarja (CDMA 1, 4-sykloheksaanidimetaaniammonium, n≥1) (MA)n-1Pbn3n+1 vakaisiin ja tehokkaisiin aurinkokennoihin.
- Nämä kapseloimattomat solut säilyttivät 92 % tehokkuudestaan yli 4000 tunnin ajan ~90 %:n suhteellisen kosteuden (RH) ikääntymisolosuhteissa.
- Nämä kennot osoittavat toiminnallista ja 85 °C lämpöstabiilisuutta.
- Tehokkuus ei ole menetetty 5000 tunnin hoidon jälkeen.
- Ei tehohäviötä 45°C:n maksimitehopisteen (MPPT) käytön jälkeen 6000+ tuntia jatkuvassa valossa (100 mW cm-2).
Tutkimuksen prosessi
Skaalautuvaa teräpinnoitepinnoitustekniikkaa käytettiin osoittamaan DJ-perovskiittien potentiaalia suuriin aurinkokennoihin. Vertailuaurinkokennoissa käytettiin nimellistä n=5 PDMA DJ-perovskiittia. Näiden tiedetään parantavan laitteen stabiilisuutta ja niillä on samanlaiset orgaaniset molekyylikonfiguraatiot.
| Solujen ominaisuudet | Referenssilaite | Nimellinen laite n = 5 CDMA-pohjaista perovskiittiaurinkokennoa |
| PCE | 14.87% | 19.11% |
| Avoimen piirin jännite (VOC) | 1.06 V | 1.16 V |
| Oikosulkuvirran tiheys (JSC) | 18.32 mA cm-2 | 20.41 mA cm-2 |
| Täyttökerroin | 76.46% | 80.56% |
- korkein tehokkuus 2D-perovskiittien pinnoittamiseen on CDMA:n PCEtutkijoiden mukaan. Seuraavassa kuvassa on DJ-aurinkokennojen virtatiheys-jännite (JV) -käyrät.
Ulkoinen kvanttitehokkuus (EQE)
Tutkijat mittasivat laitteen oikosulkuvirran tiheyden (JSC) EQE:llä. PDMA-laitteella on alhaisempi EQE kuin CDMA-laitteella. Näkyvän valon absorptioalueen yläpuolella PDMA:n JSC oli 17.57 ja CDMA oli 19.58 mA cm-2. Nämä arvot vastasivat aurinkostimulaattorin alla mitattua JSC:tä.
Aurinkokennojen vakaus erilaisissa olosuhteissa
Lisäksi tutkijat tutkivat näiden solujen pysyvyyttä lämmön, valon rasituksen ja kosteuden alaisena.
Kevyt stressaaminen
Sen toimintavakaus tarkistettiin typpi-ilmakehän käsinekotelon alla käyttämällä MPPT-seurantaa simuloidun 1-auringonvalkoisen LEDin (light-emitting diode) alla. Testi noin 45 °C:ssa yli 6000 tunnin ikääntymiseen ilman laskusuuntausta.
- PDMA – PCE vähennetty noin 30 %.
- CDMA – Pieni vaihtelu niiden alkuperäisen tehokkuuden ympärillä.
Heat
Aurinkokennojen lämpöstabiilisuus tarkistettiin keittolevyllä 85 °C:ssa.
- PDMA – Alkutehokkuuden lasku 50 %.
- CDMA – Mitätön tehokkuus jopa 5000 käyttötunnin jälkeen.
Tämä varmistaa CDMA-perovskiittisolujen erinomaisen lämmönsietokyvyn.
Kosteus
Kapseloimattomat aurinkokennot säilytettiin kammiossa, jossa oli vakiolämpötilainen kosteus, noin ~90 % suhteellinen kosteus ~22°C:ssa. Tämä aiheuttaa seuraavat vaikutukset molemmissa laitteissa.
- PDMA – PCE:n nopea lasku nollaan 500 tunnin ikääntymisen jälkeen.
- CDMA – Alkutehokkuus on noin 92 % 4394 tunnin ikääntymisen jälkeen.
Vertaamalla vanhoja laitteita havaitsemme, että PDMA-pohjaisten laitteiden aktiivinen kerros on muuttunut värittömäksi, kun taas CDMA-pohjaisessa laitteessa ei näy näkyvää värimuutoksia. Tämä vahvistaa, että CDMA DJ-perovskiiteilla on korkea kosteudensietokyky. Alla olevan yhdistetyn kuvan mukaan CDMA-sarja on tutkijoiden mukaan paras 2D- ja 3D-perovskite-aurinkokennojen välillä.
Soochowin yliopiston tutkijat lisäävät strategisesti orgaanisten aurinkokennojen tehokkuutta.
Laitteen ominaisuudet
Laitteen luonnehdinta
Seuraava kuva esittää lasketun hystereesitekijän tilastollisen jakauman. Se mitattiin PDMA- ja CDMA-aurinkokennojen PCE:stä. Tämä osoittaa suhteellisen alhaisempaa ja vakaata hajautettua hystereesiä CDMA:ssa, mikä voisi olla omiaan tuottamaan vakaita ja skaalautuvia aurinkokennoja käytännön sovelluksiin.
Perovskite-kalvojen luonnehdinta
Tutkijat käyttivät Top-view-pyyhkäisyelektronimikroskooppia (SEM) tutkiakseen perovskiittikalvojen morfologiaa.
Havainnon mukaan siellä oli a tasainen raejakauma PDMA:ssa perovskiittikalvot. Sitä vastoin CDMA:lla on a raekoon selvä suureneminen sekä joitakin pieniä 2D-kiekkoja, jotka peittävät vastaavat raerajat. Tämä saattaa sisältää rajapinnan passivoimisen itseensä vakauden varmistamiseksi. Lisäksi se auttaa mahdollistamaan terän pinnoitteen ultraviolettisäteilyn (UV-Vis) absorptiospektrit ja XRD-mittaukset.
CDMA-filmeillä on suhteellisen kapeampi täysi leveys puolessa maksimissaan (FWHM) sekä diffraktiopiikkien voimakkaampi intensiteetti. Tämä viittaa parantuneeseen kiteisyyteen ja suurentuneeseen raekokoon Scherrerin yhtälö.
UV-Vis-absorptiospektrien mukaan molemmilla DJ-perovskite-kalvoilla on 2D-vaihejakaumat. CDMA:lla on kuitenkin korkea intensiteetti, mikä viittaa runsaaseen 2D-vaihejakaumaan, mikä on hyödyllistä sen lyhytaaltoabsorptiolle ja kalvon stabiiliudelle.
Laidun ilmaantuvuuden laajakulmaröntgensironnan (GIWAXS) havainto osoittaa, että CDMA:ssa on suhteellisen vahvoja ja erillisiä Bragg-pilkkuja. Tämä osoittaa sen paremman kiteytymisen, mikä hyödyttää varauksen kuljetusta.
HKUSTin tutkijoiden tutkimus päättää koveroiden poistaminen parantaa perovskiittikalvojen vakautta
Venymän ja stabiilisuuden karakterisointi DJ Perovskite Filmsilta
Tutkijat valittu 2 syvyyttä jäännösjännityksen tutkimiseksi molemmissa laitteissa TA:n karakterisoinnin osoittaman vaihejakauman mukaisesti. Materiaalissa havaittiin pinnallinen alue, jolle oli tunnusomaista 3D-kaltaiset faasit ja korkea 2D-perovskiittien pitoisuus syvemmällä alueella. Alla olevan kuvan mukaan laiduntamisen sattuva röntgendiffraktio (GIXRD) PDMA-perovskiittikalvoista oli suhteessa 310 kidetasoon.
Siellä oli diffraktiohuippujen siirtymä oikealle Ψ:n kasvaessa (0° - 45°). Tämä osoittaa edelleen kidetason etäisyyden asteittaisen pienenemisen ja että kalvossa on puristusjännitystä.
2D-perovskiittirikkailla alueilla PDMA-filmit näyttävät vasemmalle siirtymä, jota seuraa Ψ-arvojen kasvu. Muutostrendissä oli pieni poikkeama lineaarisesta sovitussuunnasta. Tämä viittaa 2D-perovskiitin vaiheiden epätasaiseen jakautumiseen, mikä vaikuttaa negatiivisesti laitteen vakauteen ja suorituskykyyn. Päinvastoin, sisään CDMA-kalvot, vähäinen siirtymä Ψ:n kasvu molemmilla alueilla oli ilmeistä.
Tulokset olivat johdonmukaisia jäännösjännityksen laskemisen jälkeen Williamson-Hall-käyrillä. Tämä viittaa siihen, että DJ-perovskiitti on lähes jäännösjännityksetön ja tämä laatu edistää sen vakautta.
Kuukauden varastoinnin jälkeen kalvon musta faasi muuttui täysin ja hajosi laajakaistaiseksi vaiheeksi. CDMA-filmeissä 100 päivän säilytyksen jälkeen se on huomattavaa kosteusstabiilisuus ilman epäpuhtauksien diffraktiopiikkejä havaittiin.
Lisäksi kalvojen vedenkestävyyttä tutkittiin mittaamalla veden kosketuskulmat kalvon pinnalla. CDMA esittelee a suuri vesikosketuskulma (51°) ja PDMA:lla on pienemmät kulmat (41°). Tämä osoittaa CDMA-perovskiittikalvojen korkeaa vedenkestävyyttä. Alla olevassa kuvassa näkyvät dynaamiset kosketuskulmakäyrät vahvistavat CDMA-perovskiittikalvojen erinomaisen vesitiivistyksen.
Yhteenveto
Tämän seurauksena tutkijat havaitsivat, että joustavien orgaanisten kationien sisällyttäminen kerrosten väliseen siirtymään voi parantaa DJ-perovskiitin rakenteellista vakautta. Tämän perusteella tutkijat suunnittelivat sarjan kerrostenvälisiä DJ-perovskiitteja. Lisäksi materiaalit levitettiin terän pinnoitusprosessiin. Tämän jälkeen saavutettiin korkeampi tehokkuus ja vakaus. Lisäksi ikääntymistokeissa laitteessa oli myös minimaalista hajoamista.
Kaiken kaikkiaan tutkijat päättelevät, että äskettäin kehitetyllä sarjalla on potentiaalia rakentaa stabiileja 2D-perovskiitteja, joita voidaan käyttää erilaisiin sovelluksiin.
Lähde: Ultrastabiilit ja tehokkaat hieman kerrostenväliset 2D Dion-Jacobson perovskite aurinkokennot
