Oltre all'efficienza, la stabilità è una preoccupazione di lunga data per i PV in perovskite e le loro applicazioni pratiche. Ad oggi, tali materiali stabili per il fotovoltaico e i dati su di essi sono insufficienti e i ricercatori stanno provando materiali diversi per raccogliere informazioni migliori. In questo studio di ricerca, vengono testate le celle solari in perovskite Dion-Jacobson ultrastabili ed efficienti per applicazioni fotovoltaiche.
Il team ha progettato con successo celle solari rivestite di lame con tecnologia scalabile per perovskiti Dion-Jacobson (DJ) che ha dimostrato un'efficienza di conversione di potenza di circa il 19.11% in diverse condizioni ambientali.
Scopo dello studio – Per effettuare ricerche sistematiche sui fattori chiave di stabilità nei materiali DJ. Per trovare le linee guida per la progettazione di perovskiti DJ stabili per celle solari scalabili stabilizzate ed efficienti.
Prestazioni delle celle solari Dion-Jacobson Perovskite ultrastabili ed efficienti
Le perovskiti 2D sono state preferite a quelle 3D per le loro desiderabili proprietà fotofisiche e strutturali intrinseche. La perovskite di tipo DJ con cationi di diammonio ditopici rafforza la connessione tra strati inorganici e aumenta la rigidità della struttura. Ciò ne migliora ulteriormente la stabilità. Vari studi sulle perovskiti Ruddlesden-Popper (RP) e Dion-Jacobson (DJ) mostrano che quest'ultima è meno stabile nell'ambiente atmosferico.
Per esempio, è stata osservata una scarsa stabilità all'umidità nel giro di poche ore nelle perovskiti DJ a base di 1,4-fenilendimetanammonio e m-fenilendiammonio.
Secondo l'analisi strutturale, questi materiali hanno un configurazione unica di spostamento interstrato-quantico e pozzo, distinguendoli dalle altre perovskiti DJ. Ciò comporta una minore spaziatura tra gli strati e un trasporto di carica ottimizzato e integrità strutturale nell'interstrato.
Per i cationi interstrato, l'uso di cationi organici cicloalchilici preserva l'elettronegatività e la flessibilità delle molecole. È anche vantaggioso rispetto ai cationi organici arilici e a catena alchilicaCon questo approccio lo stress reticolare viene ridotto al minimo in modo efficace, garantendo in ultima analisi la stabilità strutturale complessiva.
Highlight
- Introduzione di una nuova serie di DJ (CDMA 1, 4-cicloesandimetanammonio, n≥1) (MA)n-1Pbn3n+1 per celle solari stabili ed efficienti.
- Queste celle non incapsulate hanno mantenuto il 92% della loro efficienza per oltre 4000 ore in condizioni di invecchiamento con un'umidità relativa (RH) di circa il 90%.
- Queste celle mostrano stabilità operativa e termica a 85° C.
- Nessuna perdita di efficienza dopo 5000 ore di trattamento.
- Nessuna perdita di efficienza dopo il funzionamento a 45° C al punto di massima potenza (MPPT) per oltre 6000 ore sotto luce continua (100 mW cm-2).
Il processo della ricerca
È stata utilizzata la tecnica di deposizione del rivestimento di pale scalabili per dimostrare il potenziale delle perovskiti DJ per celle solari su larga scala. Le celle solari di riferimento utilizzavano la perovskite DJ PDMA nominale n=5. Queste sono note per migliorare la stabilità del dispositivo e hanno configurazioni molecolari organiche simili.
| Proprietà delle cellule | Dispositivo di riferimento | Dispositivo nominale n = 5 celle solari perovskite basate su CDMA |
| PCE | ||
| Tensione a circuito aperto (VOC) | 1.06 V | 1.16 V |
| Densità di corrente di cortocircuito (JSC) | 18.32 mA cm−2 | 20.41 mA cm−2 |
| Fattore di riempimento |
La sezione Currents, dedicata a opere audaci e innovative di artisti emergenti e affermati, include la prima statunitense di Mare’s Nest di Ben Rivers, descritto come “un enigmatico road movie ambientato in un mondo post-apocalittico governato da bambini”. Tra gli altri titoli spiccano Dracula di Radu Jude e With Hasan in Gaza di Kamal Aljafari. la massima efficienza per il rivestimento delle pale in perovskiti 2D è il PCE del CDMA, secondo i ricercatori. La figura seguente mostra le curve densità di corrente-tensione (JV) delle celle solari DJ.
Efficienza quantistica esterna (EQE)
I ricercatori hanno misurato la densità di corrente di cortocircuito (JSC) del dispositivo con EQE. Il dispositivo PDMA ha un EQE inferiore rispetto al CDMA. Sulla regione di assorbimento della luce visibile, il JSC di PDMA era 17.57 e CDMA era 19.58 mA cm-2Questi valori corrispondevano al JSC misurato sotto lo stimolatore solare.
Stabilità delle celle solari in diverse condizioni
Inoltre, i ricercatori hanno studiato la stabilità di queste cellule sottoposte a calore, stress luminoso e umidità.
Stress leggero
La sua stabilità operativa è stata verificata in una glovebox in atmosfera di azoto utilizzando un tracciamento MPPT sotto un LED (diodo ad emissione luminosa) bianco 1-sole simulato. Il test è stato eseguito a circa 45° C per oltre 6000 ore di invecchiamento senza tendenza al ribasso.
- PDMA – PCE ridotto di circa il 30%.
- CDMA – Leggera fluttuazione rispetto alla loro efficienza iniziale.
calore
La stabilità termica delle celle solari è stata verificata su una piastra riscaldante a 85° C.
- PDMA – Calo del 50% dell’efficienza iniziale.
- CDMA – Efficienza trascurabile anche dopo 5000 ore.
Ciò dimostra la superiore tolleranza termica delle celle perovskite CDMA.
Umidità
Le celle solari non incapsulate sono state conservate in una camera con umidità a temperatura costante, circa il 90% di umidità relativa a 22° C. Ciò provoca i seguenti effetti su entrambi i dispositivi.
- PDMA – Rapida diminuzione del PCE a zero dopo 500 ore di invecchiamento.
- CDMA – Mostra un'efficienza iniziale di circa il 92% dopo 4394 ore di invecchiamento.
Confrontando i dispositivi invecchiati, scopriamo che lo strato attivo dei dispositivi basati su PDMA è diventato incolore, mentre il dispositivo basato su CDMA non mostra alcuna decolorazione visibile. Ciò conferma che le perovskiti CDMA DJ hanno un'elevata tolleranza all'umidità. Come da immagine consolidata mostrata di seguito, la serie CDMA è la migliore tra le celle solari perovskite 2D e 3D, secondo i ricercatori.
Caratteristiche del dispositivo
Caratterizzazione del dispositivo
La figura seguente mostra una distribuzione statistica del fattore di isteresi calcolato. È stato misurato dal PCE delle celle solari PDMA e CDMA. Ciò indica un'isteresi distribuita relativamente più bassa e stabile in CDMA che potrebbe essere favorevole alla produzione di celle solari stabili e scalabili per applicazioni pratiche.
Caratterizzazione dei film di perovskite
I ricercatori hanno utilizzato la microscopia elettronica a scansione dall'alto (SEM) per studiare la morfologia delle pellicole di perovskite.
Secondo l'osservazione, c'era un distribuzione uniforme dei grani nel PDMA pellicole di perovskite. Mentre il CDMA ha un netto ingrandimento delle dimensioni dei grani insieme ad alcuni piccoli wafer 2D che coprono i corrispondenti confini dei grani. Ciò probabilmente comporta l'auto-passivazione dell'interfaccia per garantire stabilità. Inoltre, aiuta ad abilitare gli spettri di assorbimento ultravioletti-visibili (UV-Vis) e le misurazioni XRD del rivestimento della lama.
I film CDMA hanno una larghezza totale relativamente più stretta a metà del massimo (FWHM) insieme alla maggiore intensità dei picchi di diffrazione. Ciò suggerisce una cristallinità migliorata e dimensioni dei grani aumentate come da Equazione di Scherrer.
In base agli spettri di assorbimento UV-Vis, entrambi i film di perovskite DJ hanno distribuzioni di fase 2D. Tuttavia, il CDMA ha un'intensità elevata che suggerisce un'abbondante distribuzione di fase 2D che è vantaggiosa per il suo assorbimento a onde corte e la stabilità del film.
L'osservazione di Grazing Incident Wide-Angle X-ray Scattering (GIWAXS) mostra che il CDMA ha punti di Bragg relativamente forti e discreti. Ciò indica la sua migliore cristallizzazione che favorisce il trasporto di carica.
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Caratterizzazione della deformazione e della stabilità di DJ Perovskite Films
Ricercatori selezionati 2 profondità per indagare la deformazione residua in entrambi i dispositivi secondo la distribuzione di fase mostrata dalla caratterizzazione TA. Nel materiale è stata osservata un'area superficiale caratterizzata da fasi di tipo 3D e un'elevata concentrazione di perovskiti 2D in una regione più profonda. Secondo l'immagine sottostante, il diffrazione dei raggi X incidente radente (GIXRD) dei film di perovskite PDMA era relativo al piano cristallino 310.
C'era un spostamento verso destra nei picchi di diffrazione con l'aumento di Ψ (da 0° a 45°). Ciò mostra ulteriormente una graduale diminuzione della distanza del piano cristallino e che c'è una deformazione compressiva sul film.
Nelle regioni ricche di perovskite 2D, I film PDMA mostrano una direzione verso sinistra spostamento seguito da un aumento dei valori Ψ. C'è stata una leggera deviazione dalla direzione di adattamento lineare nella tendenza della variazione. Ciò suggerisce una distribuzione non uniforme delle fasi perovskite 2D che influisce negativamente sulla stabilità e sulle prestazioni del dispositivo. Al contrario, in Pellicole CDMA, spostamento trascurabile con un aumento di Ψ in entrambe le regioni era evidente.
I risultati sono stati coerenti dopo aver calcolato la deformazione residua tramite grafici Williamson-Hall. Ciò suggerisce che la perovskite DJ è quasi priva di deformazione residua e questa qualità contribuisce alla sua stabilità.
Dopo un mese di conservazione, la fase nera della pellicola si è completamente convertita e decomposta in una fase a banda larga. Mentre nelle pellicole CDMA, dopo 100 giorni di conservazione, si è registrato un notevole è stata notata stabilità dell'umidità senza picchi di diffrazione delle impurità.
Inoltre, la resistenza all'acqua delle pellicole è stata esaminata misurando gli angoli di contatto dell'acqua sulla superficie della pellicola. Il CDMA mostra un ampio angolo di contatto con l'acqua (51°) e PDMA ha angoli più piccoli (41°). Ciò indica un'elevata resistenza all'acqua dei film di perovskite CDMA. Le curve dinamiche dell'angolo di contatto mostrate nell'immagine sottostante confermano l'eccellente resistenza all'allagamento dei film di perovskite CDMA.
Conclusione
Di conseguenza, i ricercatori hanno scoperto che l'incorporazione di cationi organici flessibili nello spostamento interstrato può migliorare la stabilità strutturale della configurazione perovskite DJ. Sulla base di ciò, i ricercatori hanno progettato una serie di perovskiti DJ con spostamento interstrato. Inoltre, i materiali sono stati applicati al processo di rivestimento della lama. Dopo questo, sono state raggiunte maggiore efficienza e stabilità. Inoltre, nei test di invecchiamento, si è verificata anche una degradazione minima nel dispositivo.
Nel complesso, i ricercatori concludono che la serie di recente sviluppo ha il potenziale per costruire perovskiti 2D stabili, utilizzabili per varie applicazioni.
