Perovskiitti-aurinkokennojen hyötysuhde on noussut noin 26 prosenttiin. Laajamittainen tuotanto on kuitenkin edelleen haaste perinteisten menetelmien, kuten linkouspinnoituksen, vuoksi. Tämän ratkaisemiseksi Rooman Tor Vergatan yliopiston tutkijat ovat jalostaneet lapojen pinnoitusprosessia ja luoneet 12.6 prosentin hyötysuhteen omaavia laaja-alaisia aurinkopaneeleja. Tätä varten he ovat käyttäneet nikkelioksidireikien kuljetuskerrosta ympäröivässä ilmassa yhdessä myrkyttömän liuottimen kanssa.
Tutkimuksen tavoite – Osoittaa pitkän aikavälin vakautta ja tehokkuutta tarjoavan laajamittaisen aurinkokennojen tuotannon edistymistä.
12.6 % tehokkaat laaja-alaiset aurinkopaneelit
Perovskiittikalvon tasaisuuden parantamiseksi tutkijat lisäsivät kerrosten väliin itsejärjestyviä yksikerroksisia kerroksia. Tämän seurauksena 110 cm2:n aktiivisen pinta-alan omaavat moduulit saavuttivat 12.6 %:n hyötysuhteen . Lisäksi ne säilyttivät 84 % alkuperäisestä hyötysuhteestaan 1 000 tunnin jälkeen 85 °C:n lämpötilassa ilmassa.
Perovskite-aurinkokennojen (PSC) valmistuksessa noudatetaan kahta pääarkkitehtuuria, jotka perustuvat varauksensiirtomateriaalien järjestykseen:
- Normaali (nippi)
- Käänteinen (pin)
Tässä käänteiset PSC-kennot osoittavat parempaa stabiiliutta ja pienentynyttä hystereesikäyttäytymistä. Tämä tekee niistä sopivia potentiaaliseen kaupallistamiseen. Kompaktin nikkelioksidin tuottamiseen laaja-alaisissa aurinkokennoissa käytetään erilaisia kerrostusmenetelmiä, jotka luokitellaan tulostettaviin ja ei-tulostettaviin menetelmiin.
Vaikka tulostettavilla pinnoitustekniikoilla on useita etuja, pienimuotoisten ja laajamittaisten tulostettavien NiOx-pohjaisten PSC-levyjen välillä on huomattava ero. Esimerkiksi siirtyminen huoneilmaan pinnoitettavien PSC-levyjen hyötysuhde laski 20.7 prosenttiin pienimuotoisissa ja 10.34 prosenttiin suurissa moduuleissa, joiden aktiivinen pinta-ala on 3.7 cm2.
Tutkimuksessa hyväksytyt menettelyt
Tutkijat kehittivät menetelmän NiOx:n tulostamiseksi yli 15 cm x 15 cm:n substraateille ilman kehruupinnoitusvaihetta. Moduulit, joiden aktiivinen pinta-ala oli 110 cm2, valmistettiin kaavinterällä NiOx/MeO-2PACz/perovskiitilla ja lämpöhaihdutuksella. Lisäksi optimoimalla NiOx-mustetta ja lisäämällä itse koottu yksikerros, paras moduuli saavutti noin 12.6 % PCE.
Tämän seurauksena tutkijat havaitsivat, että nämä moduulit ylittivät aiemmat laaja-alaiset PV-moduulit vakauden, tehokkuuden ja suorituskyvyn suhteen.
Tulokset ja keskustelu: NiOx Kalvon paksuuden ja tasaisuuden optimointi
Kun NiOx-kalvo oli kerrostettu kaavinterällä NiCl2·6H2O-liuoksessa ITO-alustoille huoneenlämpötilassa, kalvot kiinnitettiin 300 °C:ssa hajoamisen ja hapettumisen edistämiseksi . Tämän jälkeen NiOx-kalvo luotiin ilmakehän happea käyttäen.
Tutkijat tallettivat 4 pitoisuutta lasi/ITO-substraateille, joka on vertailuliuos 0.15 M, sekä 0.075 M (1:1 laimennus), 0.050 M (1:2 laimennus) ja 0.037 M (1:3 laimennus). Ellipsometrisesti mitattu kalvon paksuus oli yli 140 x 140 mm.
Kalvonpaksuuden vaihtelu johtuu epätasaisesta kaavinterästä, joka parani korkeammilla liuotinsuhteilla. Kalvon paksuus ja viskositeetti kuitenkin pienenivät laimentamisen myötä. Siten paksuus pieneni esiastekonsentraation laimentuessa, mikä johti: 42.2 nm (0.075 M), 40.0 nm (0.05 M) ja 36.2 nm (0.037 M).
Seuraavassa kuvassa esitetään röntgenfotoelektronispektroskopian (XPS) ja röntgenheijastusmittauksen (XRR) tulokset. Molempia testejä käytettiin NiOx-hapetuksen arvioimiseen.
- XPS-spektrit osoittavat, että alueella 850-860 eV 4 piikkiä vastasi Ni:tä, NiO:ta (Ni2+), NiOH:ta (Ni3+) ja NiXNUMXOXNUMX:a (NiXNUMX+).
- Ilmoitetut sitoutumisenergiat noin 852.0, 853.5, 855 ja 856 eV sidottiin Gaussin sovituksilla. Tämä on linjassa kirjallisuuden arvojen kanssa.
- Hallitseva NiO-piikki osoittaa erittäin hapettunutta kalvoa. Niiden katsotaan soveltuvan sovelluksiin, kuten PSC:iden reikäkuljetuskerroksiin.
- 1:1-pitoisuuksilla se pysyy näkyvänä, mutta myös Ni- ja Ni203-osuuksien lisääntyminen havaittiin. Tämä viittaa lisäksi siihen, että hapettumistehokkuus laski.
- 1:2 pitoisuudet ja parempi hapetus ohuemmista kalvoista, korkeampi Ni203 näyttää enemmän Ni³⁺.
- Lisälaimennus 1:3-konsentraatioihin osoittaa Ni203:n lisääntymisen suhteessa NiO:hen. Tämä viittaa kalvon paksuuden ja hapettumisen epätasaisuuteen.
Kaiken kaikkiaan tutkijat havaitsivat, että alentunut esiastepitoisuus korreloi lisääntyneen nikkelioksidin monimutkaisuuden ja korkeampien hapetustilojen kanssa. Alempi NiO-osuus kuitenkin pienenee pienemmällä esiasteella.
XRR-mittauksen tulos
Kiessig-hapsuja ei havaittu, kun XRR-mittaukset tutkivat elektronitiheyttä NiOx-pinnoitetuilla substraateilla. Kriittiset kulmat korreloivat sirontatilavuuden kanssa, mikä osoittaa seuraavaa:
- Tasaisuus alhaisen dispersion ansiosta
- Heterogeenisuus suuren dispersion vuoksi
Elektronitiheys muuttui ylöspäin ja esiastekonsentraatio laski. Tämä osoittaa selvästi, että tiheämmät kalvot, joilla on suurempi laimennus, ovat mahdollisia paremman hapettumisen tai tiivistymisen ansiosta hehkutuksen aikana. Ohuemmat kalvot osoittavat parannusta aurinkokennojen suorituskyvyssä, koska niillä on edelleen parempia ominaisuuksia.
Havainnot
- Homogeenisin on vertailunäyte ja 1:2 väkevä NiOx-laskeuma.
- Vähemmän tasainen kalvo havaittiin 1:3 pitoisuudessa.
- Rajapinnan tai pinnan karheus arvioitiin Fresnel-heijastuskyvyllä. Vertailunäytteen ja 1:2 pitoisuuden osalta se oli noin 4.5 (5) nm. Tämä arvo pysyy vakiona kaikissa kuvioissa.
- Suurempi karheusdispersio havaittiin näytteissä, jotka oli saatu 1:1- ja 1:3-konsentraatiolevyiltä. 1:1 XRR-profiilin arvot vaihtelevat välillä 2.5 (5) nm - noin 4.5 (5) nm. 1:3 XRR-profiilissa se on noin 4.5 (5) nm - noin 7.0 (5) nm.
Käyttöliittymätekniikka ja perovskitekalvon morfologia
Tämä perovskiittiaurinkopaneelien tutkimus keskittyi perovskiittikerrosten pinnoitukseen ja pohjautui aiempaan työhön kaksivaiheisella terän pinnoitusmenetelmällä , jossa käytettiin myrkyttömiä liuottimia. Kehitimme kaksoiskationisen perovskiitin (Cs0.15FA0.85PbI3−xBrx) optimoitujen parametrien ja lisäaineiden avulla kalvon laadun parantamiseksi. Kaksivaiheisessa pinnoituksessa käytetään PbI2-(FAI)0.3-(CsI)0.15:tä DMSO:ssa ja sen jälkeen FAI/FABr:a isopropyylialkoholissa. Tutkimuksessa esitettiin neljä kuivausmenetelmää. Tässä tutkimuksessa testattiin näitä tekniikoita jäykillä alustoilla, jolloin saatiin korkealaatuisia kalvoja 15 cm × 15 cm:n alustoille, mikä tasoitti tietä yleismaailmalliselle vihreälle perovskiittiformulaatiolle erilaisiin laitteisiin ja alustoille.
SEM-kuvien kautta kävi selväksi, että joitain vikoja PV-kalvossa aiheutti ei-optimoitu NiOx-kerros (0.15 M). Vikoja ovat mm. reikiä ja näkyviä palkkeja, jotka johtuivat pääasiassa epätasaisesta kerrostumista. Toisaalta optimoidussa NiOx-kerroksessa (0.05 M) havaittiin vähemmän vikoja, kuten pienempiä hiukkasia ja vähemmän reikiä.
Muut tutkimukset osoittavat seuraavaa:
- Tulokset optimoidussa kerroksessa olivat kuitenkin aiempaa parempia, mutta reikien esiintyminen jatkui. Tämä osoittaa, että siihen liittyy suuri haaste tartunta-ongelmia NiOx-kalvon ja PV-esiastemusteiden välillä.
- UV-otsoni ja tavanomaiset plasmapintakäsittelyt vaikuttaa negatiivisesti NiOx-kalvoon. Tämä pahentaa käyttöliittymäongelmia, kuten ylimääräisen Pbl2:n muodostumista. Tämä voi toimia reiänpoistoesteenä, vähentää avoimen piirin jännitettä laitteen.
- Lisäksi NiO:n alhainen johtavuus voi olla haitallista perovskiitin aurinkokennojen toiminnalle.
Kaikkien näiden ongelmien välttämiseksi ja edellä mainittujen tilanteiden parantamiseksi tutkijat käyttivät MeO-2PACz:n itseasennettua yksikerrosta (SAM) HTL/perovskite-rajapinnassa.
Toisessa yrityksessä tutkijat havaitsivat, että erittäin vakaat 2D Dion-Jacobson-perovskiitit saavuttavat 19.11 %:n hyötysuhteen.
Havainnot
- Perovskiittikalvon SEM-kuva vahvistaa käytettyjen menetelmien tehokkuuden: SAM-kerros.
- Perovskiittikalvot olivat erittäin tasalaatuisia, eikä niissä ollut reikiä.
- Ellipsometrisen paksuuskartan mukaan saavutettu keskimääräinen kalvon paksuus oli 570 mm, mikä myös tuki tasaisuutta.
- Kaavinterämisprosessista johtuen gradientti, jonka alkupaksuus on 700 nm. Myös pinnoitteen loppua kohti se pienenee hieman.
- Tasaisuus saavutettiin kuitenkin käyttämällä SAM-kerrosta ja tartuntaongelmat ratkaistiin samalla. Tuloksena oli vakaat ja teollisuuskäyttöön sopivat perovskiittiset aurinkomoduulit.
Moduulit ja pitkäaikainen vakaus 12.6 % tehokkaat laaja-alaiset aurinkosähkömoduulit
Lopuksi perovskite-aurinkomoduulin onnistunut kokoonpano tehtiin haihduttamalla C60/BCP elektroninkuljetuskerroksena (ETL). Sitten tehtiin P2-laserkirjoitus ja sitä seuraava kuparielektrodin haihdutus. Sitten prosessi päätettiin P3-kirjoituksella. PV-moduulin ominaisuudet, joissa on 22 sarjaan kytkettyä kennoa, ovat seuraavat:
- Tehokkuus - 12.6 %
- Oikosulkuvirta (ISC) – 98.13 mA
- täyttöaste – 63.49 %
- Avoin jännite (VOC) – 22.3 V
- Lähes yhtenäinen hystereesiindeksi – 1.02
Lähes yhtenäinen hystereesiindeksi osoittaa kuitenkin huomattavan yhtenäisyyden eteenpäin ja taaksepäin tapahtuvien mittausten välillä. Tämä korostaa perovskite-moduulin luotettavaa toimintaa.
Yhteenveto
Yhteenvetona voidaan todeta, että tämä tutkimus edistää kaupalliseen käyttöön tarkoitettujen 12.6 % tehokkaiden laaja-alaisten aurinkosähkömoduulien skaalautuvuutta. Kaavinterää käyttämällä tuli mahdolliseksi luoda laaja-alainen PSC-moduuli NiOx HTL:llä. Lopputuloksena oli myrkytön perovskiittiformulaatio. Ja lopuksi, vakautta ja suorituskykyä parantavat PSC:t osoittavat potentiaalinsa tulevaisuuden optimointiin ja kaupallisiin sovelluksiin.
