L'efficienza delle celle solari in perovskite è aumentata fino a circa il 26%. Tuttavia, la produzione su larga scala è ancora una sfida a causa di metodi tradizionali come lo spin coating. Per superare questo problema, i ricercatori del Università degli Studi di Roma Tor Vergata hanno perfezionato il processo di rivestimento delle pale per creare moduli solari fotovoltaici di grandi dimensioni con un'efficienza del 12.6%. Per questo, hanno utilizzato uno strato di trasporto di buchi di ossido di nichel nell'aria ambiente insieme a un solvente non tossico.
Scopo dello studio – Dimostrare i progressi nella produzione su larga scala di celle fotovoltaiche che offrono stabilità ed efficienza a lungo termine.
Moduli solari fotovoltaici di grandi dimensioni con efficienza del 12.6%
Per migliorare l'uniformità del film di perovskite, i ricercatori hanno introdotto monostrati autoassemblati tra gli strati. Di conseguenza, i moduli con area attiva di 110 cm2 raggiungono un'efficienza del 12.6%Inoltre, hanno mantenuto l'84% della loro efficienza iniziale dopo 1,000 ore a 85° C nell'aria.
Per fabbricare le celle solari a perovskite (PSC) si seguono 2 architetture principali basate sull'ordine dei materiali di trasporto della carica:
- Normale (pizzico)
- Invertito (pin)
Qui, i PSC invertiti mostrano stabilità migliorata e ridotto comportamento di isteresi. Ciò li rende adatti per una potenziale commercializzazione. Per produrre ossido di nichel compatto in celle solari fotovoltaiche di grandi dimensioni, vengono utilizzati diversi metodi di deposizione, che sono classificati in metodi stampabili e non stampabili.
Nonostante le tecniche di deposizione stampabili offrano vari vantaggi, esiste un divario sostanziale tra PSC NiOx-based stampabili su piccola e larga scala. Ad esempio, passare a PSC depositati in aria ambiente l'efficienza è scesa al 20.7% nei moduli di piccola scala e al 10.34% nei moduli di grandi dimensioni con area attiva di 3.7 cm2.
Procedure adottate nello studio
I ricercatori hanno stabilito una procedura per stampare NiOx su substrati da 15 cm per 15 cm senza fase di spin coating. Moduli con area attiva di 110 cm2 sono stati realizzati con NiOx/MeO-2PACz/perovskite con blading e evaporazione termica. Inoltre, ottimizzando l'inchiostro NiOx e aggiungendo un monostrato autoassemblato, il modulo migliore ha raggiunto circa il 12.6% di PCE.
Di conseguenza, i ricercatori hanno osservato che questi moduli hanno superato le prestazioni dei precedenti moduli fotovoltaici di grandi dimensioni in termini di stabilità, efficienza e prestazioni.
Risultati e discussione: NiOx Ottimizzazione dello spessore e dell'uniformità della pellicola
Dopo aver depositato il film NiOx mediante raclaggio in soluzione di NiCl2·6H2O su substrati ITO in condizioni ambientali, questi film sono stati quindi annessi a 300° C per aiutare decomposizione e ossidazioneQuindi, l'ossigeno atmosferico è stato utilizzato per creare la pellicola NiOx.
I ricercatori hanno depositato 4 concentrazioni su substrati di vetro/ITO, che è una soluzione di riferimento a 0.15 M, insieme a 0.075 M (diluizione 1:1), 0.050 M (diluizione 1:2) e 0.037 M (diluizione 1:3). Lo spessore del film misurato utilizzando l'ellissometria era superiore a 140 per 140 mm.
La variazione nello spessore del film è dovuta alla lamatura del doccetta non uniforme, che è migliorata con rapporti di solvente più elevati. Tuttavia, lo spessore del film e la viscosità sono diminuiti con la diluizione. Pertanto, lo spessore è diminuito con la diluizione della concentrazione del precursore, con il risultato di: 42.2 nm (0.075 M), 40.0 nm (0.05 M) e 36.2 nm (0.037 M).
La figura seguente mostra i risultati della spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS) e della riflettometria a raggi X (XRR). Entrambi i test sono stati utilizzati per valutare l'ossidazione di NiOx.
- Gli spettri XPS mostrano che nell'intervallo 850-860 eV, 4 picchi corrispondevano a Ni, NiO (Ni²⁺), NiOH (Ni²⁺) e Ni2O3 (Ni³⁺).
- Le energie di legame indicate di circa 852.0, 853.5, 855 e 856 eV sono state vincolate da fit gaussiani. Ciò è in linea con i valori della letteratura.
- Un picco dominante di NiO indica un film altamente ossidato. Sono considerati adatti per applicazioni come strati di trasporto di buche in PSC.
- Con concentrazioni 1:1, rimane prominente ma è stato notato anche un aumento nei contributi di Ni e Ni203. Ciò suggerisce ulteriormente che c'è stata una riduzione nell'efficienza di ossidazione.
- Con concentrazioni 1:2 e una migliore ossidazione da film più sottili, Ni203 più elevato mostra più Ni³⁺.
- Un'ulteriore diluizione a concentrazioni 1:3 mostra un aumento di Ni203 rispetto a NiO. Ciò suggerisce una non uniformità nello spessore del film e nell'ossidazione.
Nel complesso, i ricercatori hanno scoperto che una concentrazione di precursori ridotta è correlata a una maggiore complessità dell'ossido di nichel e a stati di ossidazione più elevati. Tuttavia, un contributo inferiore di NiO si riduce con meno precursori.
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Risultato della misurazione XRR
Non sono state notate frange di Kiessig quando le misurazioni XRR hanno esaminato la densità elettronica su substrati depositati in NiOx. Gli angoli critici sono correlati al volume di scattering che mostra quanto segue:
- Uniformità dovuta alla bassa dispersione
- Eterogeneità dovuta all'elevata dispersione
C'è stato uno spostamento verso l'alto nella densità degli elettroni con una concentrazione di precursori ridotta. Ciò indica chiaramente che sono possibili film più densi con una maggiore diluizione grazie a una migliore ossidazione o compattazione durante la ricottura. I film più sottili mostrano un miglioramento nelle prestazioni delle celle solari fotovoltaiche poiché presentano comunque proprietà migliorate.
Osservazioni
- Il più omogeneo è il campione di riferimento e la deposizione di NiOx concentrata 1:2.
- Si è notata una pellicola meno uniforme nella concentrazione 1:3.
- La rugosità dell'interfaccia o della superficie è stata stimata con la riflettività di Fresnel. Per il campione di riferimento e la concentrazione 1:2, era di circa 4.5 (5) nm. Questo valore rimane costante in tutti i modelli.
- Una dispersione di rugosità più elevata è stata notata nei campioni ottenuti da piastre di concentrazione 1:1 e 1:3. I valori per il profilo XRR 1:1 vanno da 2.5 (5) nm a circa 4.5 (5) nm. Per il profilo XRR 1:3, sono circa 4.5 (5) nm a circa 7.0 (5) nm.
Ingegneria dell'interfaccia e morfologia del film di perovskite
Questa esplorazione dei moduli solari perovskite si è concentrata sulla deposizione dello strato di perovskite, basandosi su lavori precedenti con un processo in due fasi metodo di rivestimento della lama utilizzando solventi non tossici. Abbiamo sviluppato una perovskite a doppio catione (Cs0.15FA0.85PbI3−xBrx) tramite parametri e additivi ottimizzati per migliorare la qualità della pellicola. La deposizione in due fasi prevede l'utilizzo di PbI2-(FAI)0.3-(CsI)0.15 in DMSO seguito da FAI/FABr in alcol isopropilico, con quattro metodi di essiccazione proposti. Questo studio ha testato queste tecniche su substrati rigidi, producendo pellicole di alta qualità su substrati da 15 cm × 15 cm, aprendo la strada a una formulazione universale di perovskite verde per vari dispositivi e substrati.
Attraverso le immagini SEM è diventato chiaro che alcuni difetti erano causati sul film PV dallo strato NiOx non ottimizzato (0.15 M). I difetti includono forellini e barre visibili che erano principalmente dovuti a deposizione irregolare. D'altro canto, sono stati osservati meno difetti nello strato NiOx ottimizzato (0.05 M), come particelle più piccole e meno forellini.
Altri studi indicano quanto segue:
- Tuttavia, i risultati nello strato ottimizzato erano migliori di prima, ma la comparsa di forellini persisteva. Ciò indica una sfida importante correlata al problemi di adesione tra la pellicola NiOx e gli inchiostri precursori PV.
- L'ozono UV e trattamenti superficiali convenzionali al plasma hanno un effetto negativo sul film NiOx. Ciò peggiora i problemi di interfaccia, come la formazione di eccesso di Pbl2. Ciò può comportarsi come una barriera di estrazione dei buchi, riduzione della tensione a circuito aperto del dispositivo.
- Inoltre, bassa conduttività del NiO può danneggiare le prestazioni delle celle solari in perovskite.
Per evitare tutti questi problemi e migliorare le situazioni sopra descritte, i ricercatori hanno utilizzato un monostrato autoassemblato (SAM) di MeO-2PACz all'interfaccia HTL/perovskite.
In un altro tentativo, i ricercatori hanno scoperto Le perovskiti Dion-Jacobson 2D ultrastabili raggiungono un'efficienza del 19.11%.
Osservazioni
- L'immagine SEM del film di perovskite conferma l'efficacia dei metodi utilizzati: strato SAM.
- Le pellicole di perovskite erano molto uniformi e non presentavano fori.
- La mappa dello spessore dell'ellissometria mostra che lo spessore medio della pellicola raggiunto è stato di 570 mm, il che conferma anche l'uniformità.
- Grazie al processo di doctor blading, c'è un gradiente con uno spessore iniziale di 700 nm. Inoltre, verso la fine del rivestimento, c'è una leggera diminuzione in quello.
- Tuttavia, l'uniformità è stata ottenuta utilizzando lo strato SAM e i problemi di adesione sono stati affrontati con lo stesso. Il risultato sono stati moduli solari in perovskite stabili e pronti per l'industria.
Moduli e stabilità a lungo termine dei moduli solari fotovoltaici di grandi dimensioni con efficienza del 12.6%
Infine, l'assemblaggio riuscito del modulo solare in perovskite è stato eseguito tramite evaporazione di C60/BCP come strato di trasporto di elettroni (ETL). Quindi è stata eseguita la scribing laser P2 e la successiva evaporazione dell'elettrodo di rame. Quindi il processo è stato concluso con la scribing P3. Le caratteristiche del modulo FV con 22 celle collegate in serie sono le seguenti:
- Efficienza – 12.6%
- Corrente di cortocircuito (ISC) – 98.13 mA
- Fattore di riempimento – 63.49%
- Tensione a circuito aperto (VOC) – 22.3 V
- Indice di isteresi quasi unitaria – 1.02
Tuttavia, una notevole coerenza nelle prestazioni tra scansioni di misurazione in avanti e indietro è dimostrata dall'indice di isteresi quasi unitario. Ciò evidenzia il funzionamento affidabile del modulo perovskite.
Conclusione
In conclusione, questa ricerca fa progredire la scalabilità dei moduli solari fotovoltaici di grandi dimensioni con efficienza del 12.6% per uso commerciale. Utilizzando il doctor blading, è diventato possibile creare un modulo PSC di grandi dimensioni con NiOx HTL. Il risultato finale è stata una formulazione di perovskite non tossica. E infine, i PSC con stabilità e prestazioni migliorate mostrano il loro potenziale per future ottimizzazioni e applicazioni commerciali.
