Le rendement des cellules solaires à pérovskite a augmenté pour atteindre environ 26 %. Cependant, la production à grande échelle reste un défi en raison des méthodes traditionnelles comme le revêtement par centrifugation. Pour y parvenir, des chercheurs du Université de Rome Tor Vergata Ils ont perfectionné le procédé de revêtement des lames pour créer des modules solaires photovoltaïques de grande surface présentant un rendement de 12.6 %. Pour ce faire, ils ont utilisé une couche d'oxyde de nickel transportant des trous dans l'air ambiant ainsi qu'un solvant non toxique.
Le but de l'étude – Démontrer les progrès réalisés dans la production de cellules photovoltaïques à grande échelle offrant une stabilité et une efficacité à long terme.
Modules solaires photovoltaïques de grande surface avec un rendement de 12.6 %
Pour améliorer l'uniformité du film de pérovskite, les chercheurs ont introduit des monocouches auto-assemblées entre les couches. Ainsi, les modules avec une surface active de 110 cm2 atteignent une efficacité de 12.6 %. De plus, ils ont conservé 84 % de leur efficacité initiale après 1,000 85 heures à XNUMX °C dans l’air.
2 architectures principales basées sur l'ordre des matériaux de transport de charge sont suivies pour fabriquer des cellules solaires à pérovskite (PSC) :
- Normal (pincement)
- Inversé (broche)
Ici, les PSC inversés montrent stabilité améliorée et un comportement d'hystérésis réduit. Cela les rend propices à une commercialisation potentielle. Pour la production d'oxyde de nickel compact dans des cellules solaires photovoltaïques de grande surface, différentes méthodes de dépôt sont utilisées, classées en méthodes imprimables et non imprimables.
Bien que les techniques de dépôt imprimables offrent divers avantages, il existe un écart important entre les PSC à base de NiOx imprimables à petite et à grande échelle. Par exemple, le passage à PSC déposés dans l'air ambiant l'efficacité est tombée à 20.7 % pour les modules à petite échelle et à 10.34 % pour les grands modules avec une surface active de 3.7 cm2.
Procédures adoptées dans l'étude
Les chercheurs ont mis au point une procédure permettant d'imprimer du NiOx sur des substrats de 15 cm x 15 cm sans centrifugation. Des modules d'une surface active de 110 cm² ont été fabriqués par raclage NiOx/MeO-2PACz/pérovskite et évaporation thermique. En optimisant l'encre NiOx et en ajoutant une monocouche auto-assemblée, le meilleur module a atteint environ 2 % de PCE.
En conséquence, les chercheurs ont observé que ces modules surpassaient les précédents modules PV de grande surface en termes de stabilité, d’efficacité et de performances.
Résultats et discussion : NiOx Optimisation de l'épaisseur et de l'uniformité du film
Après dépôt du film de NiOx par raclage dans une solution de NiCl2·6H2O sur des substrats d'ITO en conditions ambiantes, ces films ont été annexés à 300 °C pour faciliter la décomposition et oxydation. Ensuite, l’oxygène atmosphérique a été utilisé pour créer le film NiOx.
Les chercheurs ont déposé quatre concentrations sur des substrats verre/ITO, une solution de référence à 4 M, ainsi qu'à 0.15 M (dilution 0.075:1), 1 M (dilution 0.050:1) et 2 M (dilution 0.037:1). L'épaisseur du film, mesurée par ellipsométrie, était supérieure à 3 x 140 mm.
La variation de l'épaisseur du film est due à une racle non uniforme, qui s'améliore avec des ratios de solvant plus élevés. Cependant, l'épaisseur et la viscosité du film diminuent avec la dilution. Ainsi, l'épaisseur diminue avec la dilution de la concentration du précurseur, ce qui donne : 42.2 nm (0.075 M), 40.0 nm (0.05 M) et 36.2 nm (0.037 M).
La figure suivante présente les résultats de la spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS) et de la réflectométrie à rayons X (XRR). Ces deux tests ont été utilisés pour évaluer l'oxydation du NiOx.
- Les spectres XPS montrent que dans la plage 850-860 eV, 4 pics correspondaient à Ni, NiO (Ni²⁺), NiOH (Ni²⁺) et Ni2O3 (Ni³⁺).
- Les énergies de liaison indiquées, d'environ 852.0, 853.5, 855 et 856 eV, étaient liées par des ajustements gaussiens. Ces valeurs concordent avec celles de la littérature.
- Un pic NiO dominant indique un film fortement oxydé. Ces composés sont considérés comme adaptés à des applications telles que les couches de transport de trous dans les cellules photosensibles.
- À des concentrations de 1:1, il reste prédominant, mais une augmentation des contributions de Ni et de Ni203 a également été observée. Ceci suggère en outre une réduction de l'efficacité de l'oxydation.
- Avec des concentrations de 1:2 et une meilleure oxydation à partir de films plus minces, un Ni203 plus élevé montre plus de Ni³⁺.
- Une dilution supplémentaire à des concentrations de 1:3 montre une augmentation de Ni203 par rapport à NiO. Cela suggère une hétérogénéité de l'épaisseur du film et une oxydation.
Dans l'ensemble, les chercheurs ont constaté qu'une diminution de la concentration en précurseurs est corrélée à une augmentation de la complexité de l'oxyde de nickel et à des états d'oxydation plus élevés. Cependant, une contribution plus faible en NiO diminue avec une diminution de la concentration en précurseurs.
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Résultat de la mesure XRR
Aucune frange de Kiessig n'a été observée lors des mesures XRR de la densité électronique sur des substrats NiOx déposés. Les angles critiques sont corrélés au volume de diffusion, ce qui montre les résultats suivants :
- Uniformité due à une faible dispersion
- Hétérogénéité due à une forte dispersion
On a observé une augmentation de la densité électronique avec une diminution de la concentration en précurseurs. Cela indique clairement que des films plus denses et plus dilués sont possibles grâce à une meilleure oxydation ou compaction lors du recuit. Les films plus fins améliorent les performances des cellules solaires photovoltaïques, car ils conservent leurs propriétés améliorées.
Observations
- L'échantillon de référence et le dépôt NiOx concentré 1:2 sont les plus homogènes.
- Un film moins uniforme a été observé dans une concentration de 1:3.
- La rugosité de l'interface ou de la surface a été estimée à l'aide de la réflectivité de Fresnel. Pour l'échantillon de référence et la concentration 1:2, elle était d'environ 4.5 (5) nm. Cette valeur reste constante pour tous les modèles.
- Une dispersion de rugosité plus élevée a été observée dans les échantillons obtenus à partir de plaques de concentration 1:1 et 1:3. Les valeurs du profil XRR 1:1 varient de 2.5 (5) nm à environ 4.5 (5) nm. Pour le profil XRR 1:3, elles varient d'environ 4.5 (5) nm à environ 7.0 (5) nm.
Ingénierie des interfaces et morphologie des films de pérovskite
Cette exploration des modules solaires à pérovskite s'est concentrée sur le dépôt de la couche de pérovskite, en s'appuyant sur des travaux antérieurs avec une procédure en deux étapes. méthode de revêtement de lame En utilisant des solvants non toxiques. Nous avons développé une pérovskite à double cation (Cs0.15FA0.85PbI3−xBrx) grâce à des paramètres optimisés et des additifs pour améliorer la qualité du film. Le dépôt en deux étapes implique l'utilisation de PbI2-(FAI)0.3-(CsI)0.15 dans du DMSO, puis de FAI/FABr dans de l'alcool isopropylique, avec quatre méthodes de séchage proposées. Cette étude a testé ces techniques sur des substrats rigides, produisant des films de haute qualité sur des substrats de 15 cm × 15 cm, ouvrant la voie à une formulation universelle de pérovskite verte pour divers dispositifs et substrats.
Les images MEB ont mis en évidence que certains défauts sur le film PV étaient dus à la couche de NiOx non optimisée (0.15 M). Parmi ces défauts, on compte des piqûres et des barres visibles, principalement dues à un dépôt irrégulier. En revanche, la couche de NiOx optimisée (0.05 M) présentait moins de défauts, notamment des particules plus petites et moins de piqûres.
D’autres études indiquent ce qui suit :
- Cependant, les résultats obtenus dans la couche optimisée étaient meilleurs qu'auparavant, mais l'apparition de trous d'épingle persistait. Ceci indique un défi majeur lié à la problèmes d'adhérence entre le film NiOx et les encres précurseurs PV.
- L'UV-ozone et traitements de surface conventionnels au plasma avoir un effet négatif sur le film NiOx. Cela aggrave les problèmes d'interface, comme la formation d'un excès de Pbl2. Ce phénomène peut agir comme une barrière d'extraction de trous. réduire la tension en circuit ouvert du dispositif.
- De plus, le faible conductivité du NiO peut nuire aux performances des cellules solaires à pérovskite.
Pour éviter tous ces problèmes et améliorer les situations ci-dessus, les chercheurs ont utilisé une monocouche auto-assemblée (SAM) de MeO-2PACz à l'interface HTL/pérovskite.
Dans une autre tentative, les chercheurs ont découvert Les pérovskites Dion-Jacobson 2D ultrastables atteignent une efficacité de 19.11 %.
Observations
- L'image MEB du film de pérovskite confirme l'efficacité des méthodes utilisées : couche SAM.
- Les films de pérovskite étaient très uniformes et ne présentaient aucun trou d’épingle.
- La carte d'épaisseur de l'ellipsométrie montre que l'épaisseur moyenne du film obtenue était de 570 mm, ce qui confirme également l'uniformité.
- Grâce au procédé de raclage, on observe un gradient d'épaisseur initiale de 700 nm, qui diminue légèrement vers la fin du revêtement.
- Cependant, l'uniformité a été obtenue grâce à la couche SAM, qui a permis de résoudre les problèmes d'adhérence. Le résultat : des modules solaires à pérovskite stables et prêts pour l'industrie.
Modules et stabilité à long terme des modules solaires photovoltaïques de grande surface à rendement de 12.6 %
Enfin, l'assemblage du module solaire en pérovskite a été réalisé par évaporation de C60/BCP comme couche de transport d'électrons (ETL). Le marquage laser P2, suivi de l'évaporation de l'électrode de cuivre, a ensuite été réalisé. Le processus s'est terminé par le marquage P3. Les caractéristiques du module photovoltaïque à 22 cellules connectées en série sont les suivantes :
- Efficacité – 12.6%
- Courant de court-circuit (ISC) – 98.13 mA
- Facteur de remplissage – 63.49 %
- Tension à vide (VOC) – 22.3 V
- Indice d'hystérésis proche de l'unité – 1.02
Cependant, l'indice d'hystérésis proche de l'unité démontre une remarquable constance des performances entre les mesures directes et inverses. Cela souligne la fiabilité du fonctionnement du module pérovskite.
Conclusion
En conclusion, cette recherche améliore l'évolutivité des modules solaires photovoltaïques de grande surface, d'un rendement de 12.6 %, pour une utilisation commerciale. L'utilisation du raclage a permis de créer un module PSC de grande surface avec NiOx HTL. Le résultat final est une formulation de pérovskite non toxique. Enfin, les PSC, dont la stabilité et les performances sont améliorées, démontrent leur potentiel d'optimisation et d'applications commerciales futures.
