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 skaalautuvalla teknologialla varustettuja teräpinnoitettuja aurinkokennoja Dion-Jacobson (DJ) -perovskiiteille, ja niiden tehonmuunnoshyötysuhde on noin 19.11 % erilaisissa ympäristöolosuhteissa.
Tutkimuksen tavoite – Suorittaa systemaattista tutkimusta DJ-materiaalien stabiilisuuden keskeisistä tekijöistä. Löytää ohjeet stabiilien DJ-perovskiittien suunnittelulle stabiloituja ja tehokkaita skaalautuvia aurinkokennoja varten.
Ultrastabiilien ja tehokkaiden Dion-Jacobson Perovskite -aurinkokennojen suorituskyky
Kaksiulotteisia perovskiitteja on suosittu kolmiulotteisiin verrattuna niiden toivottujen fotofysikaalisten ja luontaisten rakenteellisten ominaisuuksien vuoksi. DJ-tyyppinen perovskiitti ditoopisten diammoniumkationien kanssa vahvistaa epäorgaanisten kerrosten välistä yhteyttä ja lisää rakenteen jäykkyyttä. Tämä parantaa entisestään sen vakautta. Useat Ruddlesden-Popper (RP) ja Dion-Jacobson (DJ) -perovskiitteja koskevat tutkimukset osoittavat, että jälkimmäinen on vähemmän stabiili ilmakehässä.
Esimerkiksi 1,4-fenyleenidimetanammonium- ja m-fenyleenidiammoniumpohjaisissa DJ-perovskiiteissa havaittiin muutamassa tunnissa heikko kosteusstabiilius.
Rakenneanalyysin mukaan näillä materiaaleilla on ainutlaatuinen välikerroksen siirtymäkvantti- ja kuoppakonfiguraatio , joka erottaa ne muista DJ-perovskiiteista. Tämä johtaa pienempään välikerroksen etäisyyteen sekä optimoituun varauksen kuljetukseen ja rakenteelliseen eheyteen välikerroksessa.
Välikerroskationien tapauksessa sykloalkyyliorgaanisten kationien käyttö säilyttää molekyylien elektronegatiivisuuden ja joustavuuden. Se on myös edullisempi kuin alkyyliketju- ja aryyliorgaaniset kationit . Hilajännitys minimoi tehokkaasti tässä lähestymistavassa, mikä lopulta johtaa kokonaisrakenteelliseen 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% |
Tutkijoiden mukaan CDMA:n PCE-käyrä on tehokkain 2D-perovskiitin terän pinnoittamisessa . Seuraava kuva esittää DJ-aurinkokennojen virrantiheys-jännite (JV) -käyriä.
Ulkoinen kvanttitehokkuus (EQE)
Tutkijat mittasivat laitteen oikosulkuvirrantiheyden (JSC) EQE:llä. PDMA-laitteella on alhaisempi EQE kuin CDMA:lla. Näkyvän valon absorptioalueella PDMA:n JSC oli 17.57 ja CDMA:n 19.58 mA cm-2 . Nämä arvot vastasivat aurinkostimulaattorin alla mitattuja JSC-arvoja.
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 parantavat 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 PDMA-perovskiittikalvoissa oli tasainen raejakauma . CDMA:ssa taas raekoko on selvästi suurentunut, ja pieniä 2D-kiekkoja peittää vastaavat raerajat. Tämä saattaa liittyä rajapinnan itsepassivoitumiseen vakauden varmistamiseksi. Lisäksi se auttaa mahdollistamaan ultraviolettisäteily- ja näkyvyyden (UV-Vis) absorptiospektrien ja röntgendiffraktiomittausten tekemisen terän pinnoitteelle.
CDMA-kalvoilla on suhteellisen kapeampi täysleveys puoliarvolla (FWHM) ja voimakkaampi diffraktiopiikkien intensiteetti. Tämä viittaa parantuneeseen kiteisyyteen ja suurempiin raekokoihin Scherrerin yhtälön mukaisesti.
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 päättelee, että koveruuksien poistaminen parantaa perovskiittikalvojen vakautta
Venymän ja stabiilisuuden karakterisointi DJ Perovskite Filmsilta
Tutkijat valitsivat kaksi syvyyttä tutkiakseen jäännösvenymää molemmissa laitteissa TA-karakterisoinnin osoittaman faasijakauman perusteella. Materiaalissa havaittiin pinnallinen alue, jolle olivat ominaisia 3D-tyyppiset faasit, ja korkea pitoisuus 2D-perovskiitteja syvemmällä alueella. Alla olevan kuvan mukaan PDMA-perovskiittikalvojen karsinnan röntgendiffraktio (GIXRD) oli suhteessa 310-kiteen tasoon.
Diffraktiohuiput siirtyivät oikealle Ψ :n kasvaessa (0° - 45°). Tämä osoittaa edelleen kidetason etäisyyden asteittaista pienenemistä ja kalvoon kohdistuvaa puristusjännitystä.
2D-perovskiittipitoisilla alueilla PDMA-kalvoissa havaitaan siirtymä vasemmalle, jota seuraa Ψ-arvojen kasvu. Vaihtelussa oli pieni poikkeama lineaarisesta sovitussuunnasta. Tämä viittaa 2D-perovskiittifaasien epätasaiseen jakautumiseen, mikä vaikuttaa negatiivisesti laitteen vakauteen ja suorituskykyyn. Sitä vastoin CDMA-kalvoissa havaittiin merkityksetön siirtymä Ψ-arvojen kasvaessa molemmilla alueilla.
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 muuntui ja hajosi täysin leveän kaistanleveyden faasiksi. CDMA-kalvoissa havaittiin 100 päivän varastoinnin jälkeen huomattava kosteudenkestävyys ilman epäpuhtauksien diffraktiohuippuja.
Lisäksi kalvojen vedenkestävyyttä tutkittiin mittaamalla veden kosketuskulmat kalvon pinnalla. CDMA:lla on suuri veden kosketuskulma (51°) ja PDMA:lla pienemmät kulmat (41°) . Tämä osoittaa CDMA-perovskiittikalvojen korkeaa vedenkestävyyttä. Alla olevassa kuvassa esitetyt dynaamiset kosketuskulmakäyrät vahvistavat CDMA-perovskiittikalvojen erinomaisen vedenkestävyyden.
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.
