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 perovskiittikennon tehomuunnoshyötysuhde (PCE) parani merkittävästi . Tämä oli mahdollista kaivon kaltaisella rakenteella, jossa oli pieni johtavuuskaistan siirtymä (CBO) FTE:n ja perovskiitin rajapinnassa. Suorituskyvyn heikkenemistä havaittiin kuitenkin HTL:n valenssikaistan 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 %.
Perovskiitti-aurinkokennojen tehomuunnoshyötysuhde (PCE) on noussut 3.8 prosentista 26.1 prosenttiin vuosikymmenessä . Tästä syystä orgaanis-epäorgaaniset metallihalogenidiperovskiitti-aurinkokennot ovat saaneet viime aikoina paljon huomiota.
Joustavien PSC-yhdisteiden kehitystä kuitenkin hidastaa elektroninsiirtokerroksen (ETL) korkea sintrauslämpötila. Käänteisissä PSC-yhdisteissä tutkijat käyttivät pääasiassa [6,6]-fenyyli-C61-voihappometyyliesteriä (PCBM) ETL:nä niiden tehokkuuden parantamiseksi. Koska PCBM:t ovat kalliita, niiden sisällyttäminen laitteeseen lisää laitteen kokonaiskustannuksia.
Tutkijat kokeilivat sitten ETL-vapaita PSC-laitteita , jotka ovat lupaavimpia ja hyväksyttävimpiä laitteita. Tällä lähestymistavalla on yksinkertainen kokoonpano ja se poistaa monimutkaisen valmistelun, mikä vähentää tarvittavaa aikaa ja energiaa.
Lyhyesti : Liu ym. kehittivät ensimmäisen PCE:n, jonka suhde oli 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 voi päästä järjestelmään molemmista päistä asentamalla läpinäkyvät elektrodit. Tämän ansiosta kaksipintaiset aurinkopaneelit voivat saavuttaa yli 30 % korkeamman PCE:n verrattuna yksipintaisiin paneeleihin. Tähän vaikuttavat kuitenkin eri tekijät, kuten kallistuskulma, maanpinnan heijastavuus ja korkeus maanpinnasta. Lisäksi, jos kaksipintaisen ja joustavan aurinkokennoteknologian edut yhdistetään, ne voivat johtaa tehokkaisiin ja monipuolisiin aurinkoenergian keruulaitteisiin.
ETL-vapaan joustavan kaksisuuntaisen 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.
NREL kehittää aloitteessaan tuuliturbiinin lapoja 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.
Tarkkailemalla joustavia aurinkokennoja, joissa on erilaisia elektrodeja, rajapintojen vikakerroksia ja aukkojen siirtokerroksia, tutkijat löysivät vyöhykkeiden kohdistuksen ja mahdolliset esteet, jotka parantavat kokonaissuorituskykyä. Lisäksi he saavuttivat yli 27 %:n hyötysuhteen eri olosuhteissa optimoimalla perovskiittiabsorboijan kaistanleveyden 1.4 eV:iin.
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-yhdisteissä FTE:n tulisi olla suunniteltu erittäin läpinäkyväksi ja paremmalla vyöhykekohdistuksella tehokkaan varauksen kuljetuksen varmistamiseksi. Tutkijat ovat paljastaneet erilaisia FTE:itä, kuten zirkoniumilla seostettua In2O3 :a (Zr:In2O3), ITO:ta, alumiinilla seostettua ZnO:ta (Al:ZnO) ja passivoitua/modifioitua FTO:ta (PFTO). Alemmissa lämpötiloissa näiden elektrodien kerrostaminen joustavalle alustalle oli helppoa.
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.
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
Lämpökäsittelyn aikana rajapinnan virheet korostuvat. Näitä virheitä edistää, jos rajapinnalla ei ole happivajausta, hilan epäsuhtaa tai stoikiometrinen koostumus on epätasainen. Tutkimuksessa käsitellään kolmea alla mainittua virherajapinnan tyyppiä :
- 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
Tällä elektrodilla on tärkeä rooli kaksipintaisten aurinkokennojen kokonaissuorituskyvyn määrittämisessä . Kaksi pääasiallista kaksipintaisten aurinkokennojen suorituskykyyn vaikuttavaa tekijää ovat elektroniaffiniteetti ja energiaväli. Kaksipintaisilla aurinkokennoilla on alhaisempi PSC-arvo verrattuna yksipintaisiin vastineisiinsa, mikä vaikuttaa RTE-arvoon merkittävästi. HTL/RTE-rajapinnassa havaitaan muutos negatiivisesta positiiviseen VBO:ssa RTE:n energiavälin arvon kasvaessa.
Molemmissa valaistusolosuhteissa laite osoittaa maksimaalisen PCE:n VBO:ssa olevan arvona +0.29 eV (kaistanleveys ~2.4 eV). Kun elektroniaffiniteetti on 3.3 eV molemmilla valaistustyypeillä ja VBO on +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 esiteltiin PeroNovan 28 %:n hyötysuhteinen perovskiitti-piistä valmistettu tandem-aurinkopaneeli .
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 %
Absorbointikerroksen perovskiitin vikatiheys pieneni arvosta 8.0 × 10^14 cm−3 arvoon 1.0 × 10^14 cm−3 . Tämä johtaa laitteen PCE:n kasvuun 26.27 %:iin ja 26.45 %:iin etu- ja takavalaistuksen osalta.
Lisäksi, kun absorboivan kerroksen paksuus on optimoitu 800 nm:iin ja sitten vikatiheys on pienennetty arvoon 1.0 × 1014 cm−3 , tämä nostaa laitteen PCE:n 26.88 %:iin (edestä tuleva valaistus) ja 27.35 %:iin (takaa tuleva valaistus).
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.
