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 con rivestimento a lama e tecnologia scalabile per perovskiti di Dion-Jacobson (DJ) che hanno dimostrato un'efficienza di conversione di potenza di circa il 19.11% in diverse condizioni ambientali.
Obiettivo dello studio : condurre una ricerca sistematica sui fattori chiave di stabilità nei materiali DJ. Individuare le linee guida per la progettazione di perovskiti DJ stabili, al fine di ottenere celle solari scalabili, efficienti e stabilizzate.
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 diammonio ditopici rafforza il legame tra gli strati inorganici e aumenta la rigidità della struttura, migliorandone ulteriormente la stabilità. Diversi studi sulle perovskiti di Ruddlesden-Popper (RP) e Dion-Jacobson (DJ) dimostrano che quest'ultima è meno stabile in ambiente atmosferico.
Ad esempio , nelle perovskiti DJ a base di 1,4-fenilendimetanammonio e m-fenilendiammonio è stata osservata una scarsa stabilità all'umidità entro poche ore.
Secondo l'analisi strutturale, questi materiali presentano un quantismo di spostamento interstrato e una configurazione di pozzo unici , che li distinguono dalle altre perovskiti DJ. Ciò si traduce in una minore spaziatura interstrato e in un trasporto di carica ottimizzato e in una maggiore integrità strutturale nello spazio interstrato.
Per i cationi interstrato, l'utilizzo di cationi organici cicloalchilici preserva l'elettronegatività e la flessibilità delle molecole. È inoltre vantaggioso rispetto ai cationi organici a catena alchilica e arilica . In questo approccio, la tensione reticolare viene efficacemente minimizzata, portando in definitiva a una maggiore stabilità strutturale complessiva.
Punti Salienti
- 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 | 14.87% | 19.11% |
| 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 | 76.46% | 80.56% |
Secondo i ricercatori, l' efficienza più elevata per il rivestimento a lama delle perovskiti 2D è quella del CDMA . 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 in PDMA ha un EQE inferiore rispetto al CDMA. Nella regione di assorbimento della luce visibile, la JSC del PDMA era di 17.57 e quella del CDMA di 19.58 mA cm⁻² . Questi valori corrispondevano alla JSC misurata 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.
Come osservato, nei film di perovskite PDMA si riscontrava una distribuzione uniforme dei grani . Al contrario, il CDMA presentava un netto ingrandimento delle dimensioni dei grani, insieme ad alcune piccole celle 2D che ricoprivano i corrispondenti bordi dei grani. Ciò probabilmente implica un'autopassivazione dell'interfaccia per garantire la stabilità. Inoltre, contribuisce a rendere possibili le misurazioni degli spettri di assorbimento ultravioletto-visibile (UV-Vis) e delle diffrattogrammi a raggi X (XRD) del rivestimento della lama.
I film di CDMA presentano una larghezza a metà altezza (FWHM) relativamente più stretta, unitamente a una maggiore intensità dei picchi di diffrazione. Ciò suggerisce una migliore cristallinità e dimensioni dei grani maggiori, come previsto dall'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
I ricercatori hanno selezionato 2 profondità per studiare la deformazione residua in entrambi i dispositivi in base alla distribuzione di fase mostrata dalla caratterizzazione TA. Nel materiale è stata osservata un'area superficiale caratterizzata da fasi di tipo 3D e un'alta concentrazione di perovskiti 2D in una regione più profonda. Secondo l'immagine sottostante, la diffrazione di raggi X a incidenza radente (GIXRD) dei film di perovskite PDMA era relativa al piano cristallino 310.
Si è osservato uno spostamento verso destra dei picchi di diffrazione con l'aumento di Ψ (da 0° a 45°). Ciò dimostra ulteriormente una graduale diminuzione della distanza tra i piani cristallini e la presenza di una sollecitazione di compressione sul film.
Nelle regioni ricche di perovskite 2D, i film di PDMA mostrano uno spostamento verso sinistra seguito da un aumento dei valori di Ψ. Si è osservata una leggera deviazione dalla direzione di adattamento lineare nell'andamento della variazione. Ciò suggerisce una distribuzione non uniforme delle fasi di perovskite 2D che influisce negativamente sulla stabilità e sulle prestazioni del dispositivo. Al contrario, nei film di CDMA, è stato evidente uno spostamento trascurabile con un aumento di Ψ in entrambe le regioni.
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 del film si è completamente convertita e decomposta in una fase a banda proibita ampia. Nei film in CDMA, invece, dopo 100 giorni di conservazione, è stata osservata una notevole stabilità all'umidità senza picchi di diffrazione dovuti a impurità.
Inoltre, la resistenza all'acqua dei film è stata esaminata misurando gli angoli di contatto dell'acqua sulla superficie del film. Il CDMA presenta un ampio angolo di contatto dell'acqua (51°) e il 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'assorbimento d'acqua 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.
