Le celle solari in perovskite (PSC) hanno applicazioni versatili, il che le rende un dispositivo promettente per la vita quotidiana. In questo studio, i ricercatori ottimizzano le celle solari in perovskite bifacciali basate su ETL per dispositivi flessibili tramite simulazione. Il processo viene eseguito selezionando l'elettrodo trasparente anteriore (FTE), lo strato di trasporto delle buche (HTL) e l'elettrodo trasparente posteriore (RTE) adatti.
Celle solari bifacciali in perovskite basate su ETL per dispositivi flessibili
È stato osservato che l' efficienza di conversione di potenza (PCE) del dispositivo a celle a perovskite è stata migliorata significativamente . Ciò è stato possibile grazie a una struttura a pozzo con un piccolo disallineamento della banda di conduzione (CBO) all'interfaccia FTE/perovskite. Tuttavia, è stata notata una riduzione delle prestazioni con uno spostamento verso l'alto della banda di valenza dell'HTL.
Punti Salienti
- Per ottimizzare la perovskite bifacciale senza ETL per dispositivi flessibili.
- Un CBO minimo all'interfaccia perovskite può migliorare le prestazioni del dispositivo.
- Il bandgap e l'affinità elettronica dell'RTE influenzano notevolmente le prestazioni del dispositivo.
- 1.4 eV di perovskite è quello ottimizzato.
- Per entrambe le condizioni di illuminazione, il dispositivo mostra PCE >27%.
L'efficienza di conversione energetica (PCE) delle celle solari a perovskite è aumentata dal 3.8% al 26.1% in un decennio . Pertanto, le celle solari a perovskite organiche-inorganiche a base di alogenuri metallici hanno riscosso molta attenzione negli ultimi tempi.
Tuttavia, lo sviluppo di celle solari a perovskite flessibili è rallentato dall'elevata temperatura di sinterizzazione dello strato di trasporto degli elettroni (ETL). Nelle celle solari a perovskite invertite, i ricercatori hanno utilizzato principalmente l'estere metilico dell'acido [6,6]-fenil-C61-butirrico (PCBM) come ETL per aumentarne l'efficienza. Poiché il PCBM è costoso, la sua integrazione nel dispositivo ne aumenta i costi complessivi.
I ricercatori hanno quindi sperimentato le celle solari a perovskite senza strato di trasporto di elettroni (ETL) , che si sono rivelate i dispositivi più promettenti e accettabili. Questo approccio presenta una configurazione semplice ed elimina la necessità di preparazioni complesse, riducendo così i tempi e il consumo energetico.
Curiosità : Liu et al. hanno sviluppato il primo PCE con il 13.5%.
Le attuali celle PCE hanno un'efficienza del 20-22%, ma sono ancora indietro a causa della velocità di trasferimento della carica sbilanciata.
Motivo : Mancanza di un campo predefinito permanente in assenza di ETL.
Considerare diversi approcci
I ricercatori hanno preso in considerazione l'utilizzo di concentratori, materiali fotovoltaici con 2 o più bandgap distinti in disposizione tandem e un approccio bifacciale. Tutti questi mirano a migliorare le prestazioni del dispositivo e incoraggiare l'adozione diffusa della tecnologia. Poiché il design bifacciale è semplice ed economico, aumenta l'efficienza di conversione di potenza a un costo leggermente superiore aggiungendo un elettrodo trasparente posteriore.
Grazie all'installazione di elettrodi trasparenti, la luce può entrare nel sistema da entrambe le estremità. In questo modo, i pannelli solari bifacciali possono potenzialmente raggiungere un'efficienza di conversione energetica (PCE) superiore di oltre il 30% rispetto ai pannelli monofacciali. Tuttavia, diversi fattori influenzano tale risultato, come l'angolo di inclinazione, la riflettività della superficie del terreno e l'altezza dal suolo. Inoltre, la combinazione dei vantaggi delle tecnologie bifacciali e flessibili delle celle solari può dare origine a dispositivi per la raccolta di energia solare efficienti e versatili.
Applicazioni delle celle solari a perovskite bifacciali flessibili senza ETL :
- Tende pieghevoli nei negozi
- Coprifinestre pieghevoli
- Sulle vele
- Oppure un ombrellone in spiaggia
È possibile elaborare PSC flessibili con il metodo da ruolo a ruolo e possono essere incapsulati con strati flessibili a basso costo. Sebbene i PSC bifacciali flessibili siano una nuova tecnologia, ancora in fase di ricerca e sviluppo, hanno fatto notevoli progressi.
Nell'ambito di un'iniziativa, NREL sviluppa pale per turbine eoliche realizzate con resina riciclabile.
Con l'aiuto della simulazione, è stato facile per i ricercatori puntare ai parametri o alle proprietà desiderati dell'elettrodo trasparente posteriore (RTE). Ciò consente loro di ottenere prestazioni ottimali del dispositivo. Nel presente lavoro di simulazione, i ricercatori hanno copiato il bifacciale senza ETL come da diagramma seguente.
Osservando celle solari flessibili con diversi elettrodi, strati di difetti interfacciali e strati di trasporto delle lacune, i ricercatori hanno scoperto l'allineamento delle bande e le barriere di potenziale per migliorare le prestazioni complessive. Inoltre, hanno raggiunto un'efficienza superiore al 27% in diverse condizioni ottimizzando il band gap dell'assorbitore di perovskite a 1.4 eV.
Struttura del dispositivo e parametri di simulazione Perovskite basata su ETL
- Per simulare il dispositivo proposto, i ricercatori hanno utilizzato il pacchetto SCAPS-1D (Solar Cell Capacitance Simulator) unidimensionale.
- Inoltre, per progettare un dispositivo bifacciale a partire da uno convalidato, l'Au è stato sostituito con uno strato composito di elettrodo trasparente Cu/Cu2O.
- Per svolgere la funzione di FTE è stato utilizzato il PFTO (Passivated-FTO).
Risultati e discussione
Effetti dell'elettrodo frontale trasparente (FTE)
Nelle celle solari a perovskite senza strato di trasporto di elettroni (ETL), l'elettrodo flessibile (FTE) deve essere progettato con elevata trasparenza e un migliore allineamento delle bande per un efficiente trasporto di carica. I ricercatori hanno studiato diversi FTE, come l'ossido di indio-stagno drogato con zirconio (Zr:In2O3), l'ossido di indio-stagno (ITO), l'ossido di zinco drogato con alluminio (Al:ZnO) e l'FTO passivato/modificato (PFTO). A basse temperature, è stato facile depositare questi elettrodi su un substrato flessibile.
Dal seguente diagramma di banda, è evidente che CBO all'interfaccia FTE che è vicina a 0 ha disegnato PCE più elevato. La direzione di un campo elettrico a ITO è opposta all'interfaccia HTL, che non è adatta per un trasporto di carica efficiente.
Questo è considerato come la potenziale barriera per gli elettroni che fluiscono verso gli FTE. Il dispositivo con un valore CBO più piccolo mostra una minore ricombinazione all'interfaccia FTE secondo il profilo di ricombinazione. C'è un aumento nell'affinità elettronica degli FTE con una variazione negativa nel CBO all'interfaccia FTE. Ciò è dovuto alla differenza nell'affinità elettronica tra strati adiacenti.
Man mano che aumenta lo spessore degli strati FTE, il PCE del dispositivo diminuisce quando illuminato dal lato FTO. Tuttavia, non sono stati osservati cambiamenti significativi per l'illuminazione posteriore.
Effetto dello strato di trasporto dei buchi (HTL)
Per questo studio, sono stati utilizzati diversi HTL come DM, Cul, Cu2O e CuSCN sul dispositivo di riferimento delle prestazioni. Il seguente diagramma di banda energetica mostra l'allineamento di banda modificato alle interfacce perovskite o HTL e HTL/RTE. Quando illuminata dal retro, la ricombinazione nei dispositivi Cul e CuSCN mostra gli stessi profili di ricombinazione SRH. Ci sono maggiori possibilità di ricombinazione diretta con livelli di valenza più elevati dello strato adiacente.
Effetto degli strati di difetto interfacciale
Durante il processo di ricottura termica, vengono evidenziati i difetti dell'interfaccia. Questi difetti sono accentuati dalla mancanza di vacanze di ossigeno, disallineamento reticolare e composizione stechiometrica all'interfaccia. Lo studio descrive i 3 tipi di difetti dell'interfaccia menzionati di seguito :
- HTL/elettrodo posteriore: causato dalla reazione dell'elettrodo posteriore con HTL in presenza di ossigeno.
- TCO/perovskite: un difetto in questa interfaccia provoca una vacanza di ossigeno.
- Perovskite/HTL: qualsiasi difetto provoca una mancata corrispondenza del reticolo.
- Per densità di difetti inferiore a 10^16 cm−3, il PCE del dispositivo rimane lo stesso. Dimostra un tasso di ricombinazione inferiore nello strato di interfaccia.
- Con una concentrazione superiore a 10^16 cm−3 si verifica un aumento del tasso di ricombinazione, che riduce l'efficienza del dispositivo.
- Allo stesso modo, con un aumento dello spessore dello strato di difetto dell'interfaccia, si verifica una diminuzione lineare del PCE del dispositivo. Ciò porta a un aumento del tasso di ricombinazione nella regione IDL.
Questo fenomeno supporta i requisiti per ridurre il difetto nell'interfaccia PFTO/perovskite tramite passivazione o qualsiasi altro metodo di lavorazione idoneo. Nella maggior parte dei casi, si preferisce la passivazione superficiale per modificare la morfologia superficiale.
Effetto dell'elettrodo posteriore trasparente (RTE)
Questo elettrodo riveste un ruolo importante nel determinare le prestazioni complessive delle celle solari a perovskite bifacciali . Due fattori principali che influenzano le prestazioni delle celle solari bifacciali sono l'affinità elettronica e il bandgap. Le celle solari a perovskite bifacciali hanno un'efficienza di conversione di potenza (PCE) inferiore rispetto alle loro controparti monofacciali, il che ha un impatto significativo sull'elettrodo di riferimento (RTE). Si osserva un cambiamento da negativo a positivo nella banda di valenza (VBO) all'interfaccia HTL/RTE con l'aumento del valore del bandgap dell'RTE.
Per entrambe le condizioni di illuminazione, il dispositivo mostra un'efficienza di conversione di potenza (PCE) massima a VBO di +0.29 eV (bandgap ~2.4 eV). Quando l'affinità elettronica è di 3.3 eV per entrambi i tipi di illuminazione con VBO di +0.13 eV a HTL/RTE, le prestazioni del dispositivo migliorano.
Con un aumento dell'affinità elettronica di RTE, il VBO tra HTL/RTE si sposta verso il positivo. Lo studio mostra che il dispositivo basato su NAN mostra un PCE più elevato per l'illuminazione posteriore. Indica un'intensità di campo elettrico ridotta nella direzione negativa nei dispositivi basati su NAN all'interfaccia HTL/RTE. Inoltre, il dispositivo PCE aumenta con un aumento della funzione di lavoro e diventano saturi per grandi funzioni di lavoro.
In un'altra ricerca è stato presentato un modulo solare tandem a perovskite di silicio con un'efficienza del 28%, prodotto da PeroNova.
Ottimizzazione dello strato di Perovskite
Come discusso sopra, abbiamo simulato diverse combinazioni di dispositivi utilizzando diversi FTE, HTL e RTE. La generazione di portatori di carica diminuisce con un aumento dello strato di assorbimento di perovskite. Al contrario, il VOC aumenta con l'aumento del potenziale incorporato dello strato di assorbimento. Il dispositivo PCE aumenta fino a un bandgap ottimizzato di 1.4 eV e altri sono i seguenti:
- Illuminazione frontale PCE 24.65%
- Illuminazione posteriore PCE 25.48%
La densità di difetti dello strato assorbitore di perovskite è stata ridotta da 8.0 × 10^14 cm−3 a 1.0 × 10^14 cm−3 . Ciò ha comportato un aumento dell'efficienza di conversione di potenza (PCE) del dispositivo al 26.27% e al 26.45% rispettivamente per l'illuminazione frontale e posteriore.
Inoltre, dopo aver ottimizzato lo spessore dello strato assorbitore a 800 nm e quindi ridotto la densità dei difetti a 1.0 × 1014 cm−3 , l'efficienza di conversione di potenza (PCE) del dispositivo aumenta al 26.88% (illuminazione frontale) e al 27.35% (illuminazione posteriore).
Conclusioni
Quindi, con questo i ricercatori concludono che utilizzando un pacchetto di simulazione per ottimizzare i PSC bifacciali senza ETL. Studiando l'impatto di diversi materiali sulle prestazioni del dispositivo, è stato osservato che alcuni materiali hanno migliorato le prestazioni grazie alle loro proprietà specifiche. Inoltre, il bandgap, la densità dei difetti e lo spessore sono importanti determinanti dello strato di assorbimento della perovskite. Pertanto, l'efficienza di conversione di potenza di oltre il 27% è stata raggiunta con una configurazione ottimizzata per l'illuminazione sia posteriore che anteriore.
