Les cellules solaires à pérovskite (PSC) offrent des applications polyvalentes, ce qui en fait un dispositif prometteur pour la vie quotidienne. Dans cette étude, les chercheurs optimisent par simulation des cellules solaires à pérovskite bifaciales à base d'ETL pour des dispositifs flexibles. Ce processus consiste à sélectionner l'électrode transparente avant (ETF), la couche de transport de trous (HTL) et l'électrode transparente arrière (ETR) appropriées.
Cellules solaires bifaciales à base de pérovskite ETL pour dispositifs flexibles
Il a été observé que le l'efficacité de conversion de puissance (PCE) du dispositif à cellules pérovskites a été considérablement amélioréeCela a été rendu possible grâce à une structure de type puits présentant un faible décalage de la bande de conduction (CBO) à l'interface FTE/pérovskite. Cependant, une baisse des performances a été constatée avec un décalage vers le haut de la bande de valence du HTL.
Temps forts
- Optimiser la pérovskite bifaciale sans ETL pour les dispositifs flexibles.
- Un CBO minimum à l'interface pérovskite peut améliorer les performances du dispositif.
- La bande interdite et l'affinité électronique du RTE affectent fortement les performances de l'appareil.
- 1.4 eV de pérovskite est celui optimisé.
- Pour les deux conditions d'éclairage, l'appareil affiche un PCE > 27 %.
L'efficacité de conversion de puissance (PCE) des cellules solaires à pérovskite a est passé de 3.8 % à 26.1 % en une décennie. Ainsi, les cellules solaires à base de pérovskite aux halogénures métalliques organiques-inorganiques ont récemment suscité beaucoup d’attention.
Cependant, le développement de PSC flexibles est retardé en raison de la température de frittage élevée de la couche de transport d'électrons (ETL). Dans les PSC inversés, les chercheurs s'intéressent principalement à utilisé l'ester méthylique de l'acide [6,6]-phényl-C61-butyrique (PCBM) comme ETL pour les rendre très efficaces. Les PCBM étant coûteux, leur intégration dans l'appareil augmente son coût global.
Les chercheurs alors essayé les PSC sans ETL Quels sont les dispositifs les plus prometteurs et les plus acceptables ? Cette approche simplifie la configuration et élimine les préparations complexes, réduisant ainsi le temps et l'énergie nécessaires.
Fait rapide:Liu et al. ont développé le premier PCE ayant 13.5 %.
Les cellules PCE actuelles ont une efficacité de 20 à 22 %, mais sont encore à la traîne en raison du taux de transfert de charge déséquilibré.
Raison: Absence de champ intégré permanent lorsque l'ETL est absent.
Envisager différentes approches
Les chercheurs ont envisagé l'utilisation de concentrateurs, de matériaux photovoltaïques à deux ou plusieurs bandes interdites distinctes disposées en tandem, et d'une approche bifaciale. Toutes ces solutions visent à améliorer les performances du dispositif et à favoriser l'adoption généralisée de la technologie. La conception bifaciale, simple et peu coûteuse, augmente le rendement de conversion de puissance à un coût légèrement supérieur grâce à l'ajout d'une électrode arrière transparente.
Grâce à l'installation d'électrodes transparentes, la lumière pénètre dans le système par les deux extrémités. Ainsi, les panneaux solaires bifaces peuvent potentiellement atteindre un PCE supérieur de plus de 30 % Comparé aux panneaux monofaces, ce système est toutefois influencé par différents facteurs, tels que l'angle d'inclinaison, la réflectivité de la surface du sol et la hauteur au-dessus du sol. De plus, la combinaison des avantages des technologies de cellules solaires bifaces et flexibles permet de créer des dispositifs de récupération d'énergie solaire performants et polyvalents.
Applications du PSC bifacial flexible sans ETL:
- Stores pliants sur les magasins
- Couvre-fenêtres pliants
- Sur les voiles
- Ou un parasol sur la plage
Il est possible de traiter des PSC flexibles par une méthode de transformation rôle par rôle et de les encapsuler avec des couches flexibles à faible coût. Bien que les PSC bifaciaux flexibles soient une technologie récente, encore en recherche et développement, ils ont réalisé des avancées notables.
Dans une initiative, Le NREL développe des pales d'éoliennes à partir de résine recyclable.
Grâce à la simulation, les chercheurs ont pu facilement définir les paramètres ou propriétés souhaités pour l'électrode transparente arrière (RTE). Cela leur a permis d'obtenir des performances optimales du dispositif. Dans le cadre de ce travail de simulation, les chercheurs ont reproduit un matériau bifacial sans ETL, comme illustré ci-dessous.
En observant des cellules solaires flexibles dotées de différentes électrodes, couches de défauts interfaciaux et couches de transport de trous, les chercheurs ont découvert l'alignement des bandes et les barrières potentielles permettant d'améliorer les performances globales. De plus, ils atteint une efficacité >27 % dans différentes conditions en optimisant la bande interdite de l'absorbeur pérovskite à 1.4 eV.
Structure de l'appareil et paramètres de simulation Perovskite à base d'ETL
- Les chercheurs ont utilisé le package SCAPS-1D (Solar Cell Capacitance Simulator) unidimensionnel pour simuler le dispositif proposé.
- De plus, pour concevoir un dispositif bifacial à partir d'un dispositif validé, l'Au a été remplacé par une couche composite d'électrode transparente Cu/Cu2O.
- Le FTO passivé (PFTO) a été utilisé pour fonctionner comme FTE.
Résultats et discussion
Effets de l'électrode transparente frontale (ETF)
Dans les PSC sans ETL, l'ETP doit être conçu avec une transparence élevée et un alignement de bande amélioré pour un transport de charge efficace. Les chercheurs ont mis en évidence divers ETP, tels que In2O3 dopé au zirconium (Zr:In2O3), ITO, ZnO dopé à l'aluminium (Al:ZnO) et FTO passivé/modifié (PFTO). À basse température, il était facile de déposer ces électrodes sur un substrat flexible.
D'après le diagramme de bande suivant, il est évident que les CBO à l'interface FTE, proche de 0, ont attiré une PCE plus élevée. La direction du champ électrique à l'interface ITO est opposée à celle de l'interface HTL, ce qui ne permet pas un transport de charge efficace.
Ceci est considéré comme la barrière potentielle pour les électrons circulant vers les FTE. Un dispositif avec une valeur CBO plus faible présente une recombinaison moindre à l'interface FTE, selon le profil de recombinaison. On observe une augmentation de l'affinité électronique des FTE avec une variation négative du CBO à l'interface FTE. Cela est dû à la différence d'affinité électronique entre les couches adjacentes.
À mesure que l'épaisseur des couches FTE augmente, le PCE du dispositif diminue lorsqu'il est éclairé par le côté FTO. Cependant, aucun changement significatif n'a été observé pour l'éclairage arrière.
KAUST révèle des cellules solaires tandem en silicium perovskite efficaces et stables à 33.7 %.
Effet de la couche de transport de trous (HTL)
Pour cette étude, différents HTL tels que DM, Cul, Cu2O et CuSCN ont été utilisés sur le dispositif de référence. Le diagramme de bandes d'énergie suivant illustre un alignement de bandes modifié aux interfaces pérovskite ou HTL et HTL/RTE. Éclairée par l'arrière, la recombinaison dans les dispositifs Cul et CuSCN présente les mêmes profils de recombinaison SRH. Les possibilités de recombinaison directe sont plus élevées avec des niveaux de valence plus élevés de la couche adjacente.
Effet des couches de défauts interfaciaux
Lors du recuit thermique, des défauts d'interface sont mis en évidence. Ces défauts sont favorisés par l'absence de lacunes d'oxygène, de défauts de réseau et de composition stœchiométrique à l'interface. L'étude porte sur 3 types d'interfaces défectueuses mentionnées ci-dessous:
- HTL/électrode arrière : Causé par la réaction de l'électrode arrière avec HTL en présence d'oxygène.
- TCO/pérovskite : Un défaut dans cette interface conduit à une lacune en oxygène.
- Perovskite/HTL : Tout défaut dans ce matériau entraîne une inadéquation du réseau.
- Pour une densité de défauts inférieure à 10^16 cm−3, le PCE du dispositif reste identique. Il présente un taux de recombinaison plus faible dans la couche d'interface.
- Avec une concentration supérieure à 10^16 cm−3, il y a une augmentation du taux de recombinaison, ce qui réduit l'efficacité du dispositif.
- De même, l'augmentation de l'épaisseur de la couche de défauts d'interface entraîne une diminution linéaire de la PCE du dispositif, ce qui entraîne une augmentation du taux de recombinaison dans la région IDL.
Ce phénomène justifie la nécessité de réduire les défauts à l'interface PFTO/pérovskite par passivation ou tout autre procédé de traitement approprié. La passivation de surface est généralement privilégiée pour modifier la morphologie de surface.
Effet de l'électrode transparente arrière (RTE)
Ce l'électrode occupe une place importante dans la détermination des performances globales des PSC bifaciauxDeux facteurs principaux influant sur les performances des cellules solaires bifaciales sont l'affinité électronique et la bande interdite. Les cellules photovoltaïques bifaciales présentent un PCE inférieur à celui de leurs homologues monofaces, ce qui a un impact important sur la RTE. Un changement du VBO négatif au positif à l'interface HTL/RTE est observé avec une augmentation de la valeur de la bande interdite de la RTE.
Pour les deux conditions d'éclairage, l'appareil affiche un maximum PCE à VBO de +0.29 eV (bande interdite ~ 2.4 eV). Lorsque l'affinité électronique est de 3.3 eV pour les deux types d'éclairage avec un VBO de + 0.13 eV à HTL/RTE, les performances du dispositif s'améliorent.
Avec l'augmentation de l'affinité électronique du RTE, le VBO entre HTL/RTE devient positif. L'étude montre que le dispositif à base de NAN présente une PCE plus élevée pour l'éclairage arrière. Elle indique une intensité de champ électrique réduite dans le sens négatif dans les dispositifs à base de NAN à l'interface HTL/RTE. De plus, l'intensité du dispositif PCE augmente avec l'augmentation du travail de sortie et il devient saturé pour les grands travaux de sortie.
Dans une autre recherche Module solaire tandem en silicium perovskite d'une efficacité de 28 % par PeroNova a été présenté.
Optimisation de la couche de pérovskite
Comme indiqué précédemment, nous avons simulé différentes combinaisons de dispositifs utilisant différents FTE, HTL et RTE. La génération de porteurs de charge diminue avec l'augmentation de la couche absorbante en pérovskite. En revanche, la VOC augmente avec l'augmentation du potentiel intrinsèque de la couche absorbante. Le dispositif PCE atteint une bande interdite optimisée de 1.4 eV, et les autres sont les suivants :
- Éclairage avant PCE 24.65 %
- Éclairage arrière PCE 25.48 %
La densité de défauts de la couche absorbante de pérovskite a été réduite de 8.0 × 10^14 cm−3 à 1.0 × 10^14 cm−3Cela conduit à une augmentation de dispositif PCE à 26.27 % et 26.45 % pour l'éclairage avant et arrière.
De plus, après avoir optimisé l’épaisseur de la couche absorbante pour 800 nm puis diminution de la densité de défauts à 1.0 × 1014 cm−3. Cela augmente le PCE de l'appareil à 26.88 % (éclairage avant) et 27.35 % (éclairage arrière).
Conclusions
Les chercheurs concluent donc qu'un logiciel de simulation permet d'optimiser les PSC bifaciaux sans ETL. L'étude de l'impact de différents matériaux sur les performances du dispositif a permis d'observer que certains matériaux amélioraient ces performances grâce à leurs propriétés spécifiques. De plus, la bande interdite, la densité de défauts et l'épaisseur sont des facteurs déterminants de la couche absorbante en pérovskite. Ainsi, un rendement de conversion de puissance supérieur à 27 % a été obtenu grâce à une configuration optimisée pour l'éclairage arrière et avant.
