Perovskite aurinkokennoilla (PSC) on monipuoliset sovellukset, mikä tekee niistä lupaavan laitteen jokapäiväiseen elämään. Tässä tutkimuksessa tutkijat optimoivat ETL-pohjaisia bifacial perovskite aurinkokennoja joustaville laitteille simuloinnin avulla. Prosessi suoritetaan valitsemalla sopiva etummainen läpinäkyvä elektrodi (FTE), aukkokuljetuskerros (HTL) ja takaläpinäkyvä elektrodi (RTE).
ETL-pohjaiset bifacial perovskite aurinkokennot joustaviin laitteisiin
Havaittiin, että perovskiittikennolaitteen tehonmuunnostehokkuus (PCE) parani merkittävästi. Tämä tuli mahdolliseksi hyvin kaltaisella rakenteella, jossa oli pieni johtavuuskaistapoikkeama (CBO) FTE/perovskiitin rajapinnassa. Suorituskyvyn heikkeneminen havaittiin kuitenkin HTL:n valenssialueen siirtyessä ylöspäin.
Poimintoja
- ETL-vapaan bifasiaalisen perovskiitin optimoimiseksi joustaville laitteille.
- Minimi CBO perovskite-rajapinnassa voi parantaa laitteen suorituskykyä.
- RTE:n bandgap ja elektroniaffiniteetti vaikuttavat suuresti laitteen suorituskykyyn.
- Optimoitu on 1.4 eV perovskiittia.
- Molemmissa valaistusolosuhteissa laite näyttää PCE > 27 %.
Perovskiittisten aurinkokennojen tehonmuunnostehokkuus (PCE) on nousi 3.8 prosentista 26.1 prosenttiin kymmenessä vuodessa. Näin ollen orgaanis-epäorgaaniset metallihalogenidiperovskiittiaurinkokennot ovat saaneet paljon huomiota viime aikoina.
Joustavien PSC:iden kehitys viivästyy kuitenkin elektroninkuljetuskerroksen (ETL) korkean sintrauslämpötilan vuoksi. Käänteisissä PSC:issä tutkijat pääasiassa käytetty [6,6]-fenyyli-C61-voihapon metyyliesteri (PCBM) ETL:nä tehdä niistä erittäin tehokkaita. Koska PCBM:t ovat kalliita, niiden sisällyttäminen laitteeseen lisää laitteen kokonaiskustannuksia.
Siis tutkijat kokeillut ETL-vapaita PSC:itä jotka ovat lupaavimpia ja hyväksyttävimpiä laitteita. Tällä lähestymistavalla on yksinkertainen kokoonpano ja se eliminoi monimutkaisen valmistelun, mikä vähentää tarvittavaa aikaa ja energiaa.
Nopea tosiasia: Liu et ai. kehittänyt ensimmäinen PCE ottaa 13.5%.
Nykyisten PCE-kennojen hyötysuhde on 20-22 %, mutta ne ovat edelleen jäljessä epätasapainoisen latausnopeuden vuoksi.
Syy: Pysyvän sisäänrakennetun kentän puute, kun ETL puuttuu.
Erilaisten lähestymistapojen harkitseminen
Tutkijat harkitsivat keskittimien, PV-materiaaleja, joissa on 2 tai useampia erillisiä kaistaväliä tandem-järjestelyssä, ja bifacial-lähestymistapaa. Kaikilla näillä pyritään parantamaan laitteen suorituskykyä ja rohkaisemaan teknologian laajaa käyttöönottoa. Koska bifacial muotoilu on yksinkertainen ja edullinen, se lisää tehon muunnostehoa hieman korkeammalla hinnalla lisäämällä takaosan läpinäkyvän elektrodin.
Valo pääsee järjestelmään molemmista päistä asentamalla läpinäkyvät elektrodit. Tämän avulla bifacial aurinkopaneelit voivat mahdollisesti saavuttaa yli 30 % korkeampi PCE verrattuna yksipuolisiin paneeleihin. Kuitenkin sen määräävät eri tekijät, kuten kallistuskulma, maanpinnan heijastavuus ja korkeus maanpinnasta jne. Lisäksi, jos bifacial- ja joustava aurinkokennoteknologian edut yhdistetään, tuloksena voi olla tehokkaita ja monipuolisia aurinkoenergian talteenottolaitteita.
ETL-vapaan joustavan bifacial PSC:n sovellukset:
- Taitettava varjostin kaupoissa
- Taitettavat ikkunasuojat
- Purjeissa
- Tai sateenvarjo rannalla
Joustavia PSC:itä on mahdollista prosessoida roolista rooliin -menetelmällä ja ne voidaan kapseloida edullisiin joustaviin kerroksiin. Vaikka joustavat bifacial PSC:t ovat uusi tekniikka, joka on edelleen tutkimus- ja kehitystyössä, ne ovat edistyneet huomattavasti.
Aloitteessa, NREL kehittää tuuliturbiinien siivet kierrätettävästä hartsista.
Simuloinnin avulla tutkijoiden oli helppo tavoitella takaläpäisevän elektrodin (RTE) haluttuja parametreja tai ominaisuuksia. Tämä antaa heille mahdollisuuden saavuttaa laitteen optimaalinen suorituskyky. Tässä simulaatiotyössä tutkijat ovat kopioineet ETL-vapaata bifacialia seuraavan kaavion mukaisesti.
Tarkkaillessaan joustavia aurinkokennoja, joissa on erilaisia elektrodeja, rajapinnan vikakerroksia ja reikien siirtokerroksia, tutkijat havaitsivat kaistan kohdistuksen ja mahdolliset esteet yleisen suorituskyvyn parantamiseksi. Lisäksi he saavutti yli 27 % tehokkuuden eri olosuhteissa optimoimalla perovskiitin vaimentimen kaistavälin 1.4 eV.
Laitteen rakenne ja simulointiparametrit ETL-pohjainen perovskite
- Tutkijat käyttivät yksiulotteista aurinkokennokapasitanssisimulaattoria (SCAPS-1D) ehdotetun laitteen simuloimiseen.
- Myös bifacial-laitteen suunnittelua varten validoidusta laitteesta Au korvattiin läpinäkyvällä elektrodi Cu/Cu2O-komposiittikerroksella.
- Passived-FTO:ta (PFTO) käytettiin toimimaan FTE:nä.
Tulokset ja keskustelu
Front Transparent Electrodin (FTE) tehosteet
ETL-vapaissa PSC:issä FTE tulisi suunnitella läpinäkyvästi ja parannetulla kaistan kohdistuksella tehokkaan latauskuljetuksen varmistamiseksi. Tutkijat ovat paljastaneet erilaisia FTE:itä, kuten Zirkoniumilla seostettu In2O3 (Zr:In2O3), ITO, alumiinilla seostettu ZnO (Al:ZnO) ja passivoitu/modifioitu FTO (PFTO). Alemmissa lämpötiloissa nämä elektrodit oli helppo kerrostaa joustavalle alustalle.
Seuraavasta kaistakaaviosta on selvää, että CBO:t FTE-rajapinnassa, joka on lähellä nollaa, ovat nostaneet korkeamman PCE:n. Sähkökentän suunta ITO:ssa on päinvastainen kuin HTL-liitäntä, mikä ei sovellu tehokkaaseen varauksen siirtoon.
Tätä pidetään potentiaalisena esteenä elektroneille, jotka virtaavat kohti FTE:itä. Laite, jolla on pienempi CBO-arvo, kuvaa vähemmän rekombinaatiota FTE-rajapinnassa rekombinaatioprofiilin mukaisesti. FTE:n elektroniaffiniteetti kasvaa negatiivisen muutoksen CBO:ssa FTE-rajapinnassa. Tämä johtui elektronien affiniteetin erosta vierekkäisten kerrosten välillä.
Kun FTE-kerrosten paksuus kasvaa, laitteen PCE pienenee, kun se valaistaan FTO-puolelta. Merkittäviä muutoksia ei kuitenkaan havaittu takavalaistuksessa.
KAUST paljastaa 33.7 % tehokkaita ja vakaita perovskiittisia piitä tandem aurinkokennoja.
Reiän siirtokerroksen vaikutus (HTL)
Tässä tutkimuksessa suorituskyvyn vertailulaitteessa käytettiin erilaisia HTL:itä, kuten DM, Cul, Cu2O ja CuSCN. Seuraava energiakaistakaavio näyttää modifioidun kaistan kohdistuksen perovskiitilla tai HTL- ja HTL/RTE-liitännöillä. Takapuolelta valaistuna Cul- ja CuSCN-laitteiden rekombinaatio näyttää samat SRH-rekombinaatioprofiilit. Suoraan rekombinaatioon on suuremmat mahdollisuudet viereisen kerroksen korkeammilla valenssitasoilla.
Rajapintavikakerrosten vaikutus
Lämpöhehkutuksen aikana rajapinnan viat korostuvat. Nämä viat lisääntyvät, jos rajapinnalta puuttuu happivakanssi, hilan epäsopivuus ja stoikiometrinen koostumus. Tutkimuksessa puhutaan mm 3 alla mainittua vikaliitäntätyyppiä:
- HTL/takaelektrodi: Johtuu takaelektrodin reaktiosta HTL:n kanssa hapen läsnä ollessa.
- TCO/perovskiitti: Tämän rajapinnan vika johtaa happivakanssiin.
- Perovskite/HTL: Kaikki viat tässä johtavat ristikon yhteensopimattomuuteen.
- Jos vikatiheys on alle 10^16 cm−3, laitteen PCE pysyy samana. Se osoittaa alhaisemman rekombinaationopeuden rajapintakerroksessa.
- Kun pitoisuus on suurempi kuin 10^16 cm−3, rekombinaationopeus kasvaa, mikä vähentää laitteen tehokkuutta.
- Vastaavasti, kun rajapintavikakerroksen paksuus kasvaa, laitteen PCE:ssä on lineaarinen lasku. Se johtaa rekombinaationopeuden kasvuun IDL-alueella.
Tämä ilmiö tukee vaatimuksia PFTO/perovskiitin rajapinnan vian vähentämiseksi passivoinnilla tai millä tahansa muulla sopivalla käsittelymenetelmällä. Useimmiten pinnan passivointi on edullinen pinnan morfologian muokkaamiseksi.
Takaosan läpinäkyvän elektrodin (RTE) vaikutus
Tämä elektrodilla on tärkeä paikka bifacial PSC:iden yleisen suorituskyvyn määrittämisessä. Kaksi pääasiallista bifacial aurinkokennojen suorituskykyyn vaikuttavaa tekijää ovat elektroniaffiniteetti ja bandgap. Bifacial PSC:illä on pienempi PCE verrattuna yksipuolisiin vastineisiin, mikä vaikuttaa RTE:hen tärkeällä tavalla. Muutos negatiivisesta positiiviseen VBO:ssa HTL/RTE-rajapinnassa havaitaan RTE:n bandgap-arvon kasvaessa.
Molemmissa valaistusolosuhteissa laite näyttää maksimiarvon PCE VBO:lla +0.29 eV (kaistaväli ~2.4 eV). Kun elektroniaffiniteetti on 3.3 eV molemmissa valaistustyypeissä VBO:lla +0.13 eV HTL/RTE:ssä, laitteen suorituskyky paranee.
RTE:n elektroniaffiniteetin kasvaessa HTL/RTE:n välinen VBO siirtyy kohti positiivista. Tutkimus osoittaa, että NAN-pohjainen laite näyttää korkeamman takavalaistuksen PCE:n. Se osoittaa alentuneen sähkökentän voimakkuuden negatiivisessa suunnassa NAN-pohjaisissa laitteissa HTL/RTE-rajapinnassa. Lisäksi PCE-laite kasvaa työtoiminnon kasvaessa ja ne kyllästyvät suuria työtoimintoja varten.
Toisessa tutkimuksessa PeroNovan 28 % tehokas perovskiittinen pii tandem aurinkopaneeli esiteltiin.
Perovskite-kerroksen optimointi
Kuten edellä mainittiin, olemme simuloineet erilaisia laitteiden yhdistelmiä käyttämällä erilaisia FTE, HTL ja RTE. Varauksenkuljettajan tuotto vähenee perovskiitin absorboivan kerroksen kasvaessa. Sitä vastoin VOC kasvaa absorboivan kerroksen sisäänrakennetun potentiaalin kasvaessa. PCE-laite kasvaa optimoituun kaistanväliin 1.4 eV ja muut ovat seuraavat:
- Etuvalaistus PCE 24.65 %
- Takavalaistus PCE 25.48 %
Absorberkerroksen perovskiitin virhetiheys pieneni 8.0 × 10^14 cm−3 - 1.0 × 10^14 cm−3. Se johtaa lisääntymiseen laitteen PCE 26.27 % ja 26.45 % etu- ja takavalaistukseen.
Lisäksi absorboivan kerroksen paksuuden optimoinnin jälkeen 800 nm ja pienentämällä sitten vikatiheyttä arvoon 1.0 × 1014 cm−3. Tämä lisää laitteen PCE 26.88 % (etuvalo) ja 27.35% (takavalaistus).
Päätelmät
Joten tämän perusteella tutkijat päättelevät, että simulaatiopaketin avulla optimoidaan ETL-vapaat bifacial PSC:t. Tutkimalla eri materiaalien vaikutusta laitteen suorituskykyyn havaittiin, että tietyt materiaalit paransivat suorituskykyä erityisominaisuuksiensa ansiosta. Lisäksi bandrap, vikojen tiheys ja paksuus ovat tärkeitä perovskiittiabsorberikerroksen määrääviä tekijöitä. Siten yli 27 %:n tehon muunnosteho saavutettiin optimoidulla konfiguraatiolla sekä taka- että etuvalaistukselle.
