効率性以外に、安定性はペロブスカイト PV とその実用化において長年の懸案事項でした。現在まで、太陽光発電用の安定した材料やそれに関するデータは不十分であり、研究者はより深い洞察を得るためにさまざまな材料を試しています。この研究では、太陽光発電用途向けの超安定性と効率性に優れたディオン・ジェイコブソン ペロブスカイト太陽電池がテストされています。
研究チームは、ディオン・ジェイコブソン（DJ）ペロブスカイト用のスケーラブルな技術を用いてブレードコーティングされた太陽電池を設計することに成功した。 さまざまな環境条件で約19.11%の電力変換効率を実証.
研究の目的 – DJ 材料の安定性の重要な要素に関する体系的な研究を実行します。安定化され、効率的なスケーラブルな太陽電池用の安定した DJ ペロブスカイトを設計するためのガイドラインを見つけます。
超安定かつ高効率なディオン・ジェイコブソンペロブスカイト太陽電池の性能
2D ペロブスカイトは、望ましい光物理的特性と固有の構造特性のため、3D ペロブスカイトよりも好まれています。ダイトピック ジアンモニウムカチオンを含む DJ 型ペロブスカイトは、無機層間の接続を強化し、構造の剛性を高めます。これにより、安定性がさらに向上します。 さまざまな研究 ラドルズデン・ポッパー（RP）ペロブスカイトとディオン・ジェイコブソン（DJ）ペロブスカイトに関する研究では、後者は大気環境では安定性が低いことが示されています。
例えば、1,4-フェニレンジメタンアンモニウムおよびm-フェニレンジアンモニウムベースのDJペロブスカイトでは、数時間以内に水分安定性が低下することが確認されました。
構造分析によれば、これらの材料は ユニークな層間変位量子と井戸構成他の DJ ペロブスカイトとは一線を画しています。これにより、層間間隔が狭くなり、層間の電荷輸送と構造の完全性が最適化されます。
層間カチオンの場合、シクロアルキル有機カチオンを使用すると、分子の電気陰性度と柔軟性が維持されます。また、 アルキル鎖およびアリール有機カチオンよりも有利このアプローチでは格子応力が効果的に最小限に抑えられ、最終的には全体的な構造の安定性につながります。
ハイライト
- 安定的かつ効率的な太陽電池用の新しいシリーズの DJ (CDMA 1, 4-シクロヘキサンジメタンアンモニウム、n≥1) (MA)n-1Pbn3n+1 の導入。
- これらの非カプセル化セルは、相対湿度 (RH) 約 92% の老化条件下で 4000 時間以上にわたって 90% の効率を維持しました。
- これらのセルは動作安定性と 85° C の熱安定性を示します。
- 5000 時間の処理後も効率は低下しません。
- 連続光（45 mW cm-6000）下で 100° C 最大電力点（MPPT）で 2 時間以上動作した後でも効率の低下はありません。
研究のプロセス
スケーラブルなブレードコーティング堆積技術を使用して、大規模太陽電池における DJ ペロブスカイトの可能性を実証しました。基準太陽電池では、公称 n = 5 PDMA DJ ペロブスカイトを使用しました。これらはデバイスの安定性を高めることで知られており、同様の有機分子構成を持っています。
| 細胞の特性 | 参照デバイス | 公称デバイス n = 5 CDMAベースのペロブスカイト太陽電池 |
| PCE | 14.87% | 19.11% |
| 開放電圧（VOC） | 1.06V | 1.16V |
| 短絡電流密度（JSC） | 18.32 mA cm−2 | 20.41 mA cm−2 |
| 曲線因子 | 76.46% | 80.56% |
その ブレードコーティング2Dペロブスカイトの最高効率はCDMAのPCEである。研究者によると、次の図は DJ 太陽電池の電流密度 - 電圧 (JV) 曲線を示しています。
研究者らは、EQEを用いてデバイスの短絡電流密度（JSC）を測定した。PDMAデバイスのEQEはCDMAよりも低い。可視光吸収領域では、 PDMAのJSCは17.57、CDMAは19.58mA cm-2であった。これらの値は太陽光刺激装置下で測定されたJSCと一致しました。
さまざまな条件下での太陽電池の安定性
さらに、研究者らは熱、光ストレス、湿気の下でのこれらの細胞の安定性を研究した。
軽いストレス
動作安定性は、窒素雰囲気グローブボックス内で、シミュレートされた 1 太陽白色 LED (発光ダイオード) の下で MPPT トラッキングを使用してチェックされました。テストは 45° C 付近で 6000 時間以上継続されましたが、低下傾向は見られませんでした。
- PDMA – PCEが約30%削減されました。
- CDMA – 初期の効率を中心に若干の変動があります。
熱
太陽電池の熱安定性は 85° C のホットプレート上で確認されました。
- PDMA – 初期効率が 50% 低下します。
- CDMA – 5000 時間経過後でも効率は無視できるほど低い。
これにより、CDMA ペロブスカイト セルの優れた耐熱性が証明されます。
水分
カプセル化されていない太陽電池は、約 90° C で約 22% RH の一定温度湿度のチャンバー内に保管されました。これにより、両方のデバイスに次の影響が生じます。
- PDMA – 500 時間の経年劣化後、PCE が急速にゼロに減少します。
- CDMA – 92 時間のエージング後も約 4394% の初期効率を示します。
古くなったデバイスを比較すると、PDMA ベースのデバイスのアクティブ層は無色になっているのに対し、CDMA ベースのデバイスには目に見える変色が見られません。これは、CDMA DJ ペロブスカイトが湿度耐性が高いことを示しています。以下に示す統合画像によると、研究者によると、CDMA シリーズは 2D ペロブスカイト太陽電池と 3D ペロブスカイト太陽電池の中で最高です。
東呉大学の研究者らは有機太陽電池の効率を戦略的に高めている.
デバイスの特性
デバイスの特性
次の図は、計算されたヒステリシス係数の統計分布を示しています。これは、PDMA および CDMA 太陽電池の PCE から測定されました。これは、CDMA の分布ヒステリシスが比較的低く安定していることを示しており、実際の用途向けに安定したスケーラブルな太陽電池を製造するのに役立ちます。
ペロブスカイト膜の特性
研究者らは、上面走査型電子顕微鏡（SEM）を使用してペロブスカイト膜の形態を研究した。
観察によれば、 PDMAにおける均一な粒子分布 ペロブスカイトフィルム。一方、CDMAは 粒子の大きさの顕著な拡大 対応する粒界を覆ういくつかの小さな 2D ウェーハも含まれています。これにより、安定性を確保するために、界面の自己不活性化が行われる可能性があります。さらに、ブレードコーティングの紫外可視 (UV-Vis) 吸収スペクトルと XRD 測定が可能になります。
CDMAフィルムは、半値幅が比較的狭い。 （FWHM）と回折ピークの強度が強くなった。これは、結晶性が向上し、粒径が拡大したことを示唆している。 シェラー方程式.
UV-Vis 吸収スペクトルによると、両方の DJ ペロブスカイト フィルムは 2D 位相分布を持っています。ただし、CDMA は強度が高く、短波吸収とフィルムの安定性に有益な豊富な 2D 位相分布を示しています。
斜入射広角 X 線散乱 (GIWAXS) 観測により、CDMA は比較的強くて離散的なブラッグ スポットを持つことがわかります。これは、電荷輸送に有利な結晶化が優れていることを示しています。
香港科技大学の科学者による研究は次のように結論づけている。 凹部を除去するとペロブスカイト膜の安定性が向上する
ひずみと安定性の特性評価 DJペロブスカイトフィルム
選ばれた研究者 残留ひずみを調査するための2つの深さ TA特性評価で示された相分布によれば、両方のデバイスで3Dのような相が特徴的な表面領域と、より深い領域での2Dペロブスカイトの高濃度が材料中に観察された。下の画像によると、 斜入射X線回折 PDMAペロブスカイト膜の（GIXRD）は310結晶面に対するものであった。.
ありました 回折ピークの右方向へのシフト Ψの増加（0°から45°）とともに、結晶面の距離が徐々に減少し、フィルムに圧縮歪みが生じていることがさらに示されます。
2Dペロブスカイトが豊富な領域では、 PDMAフィルムは左向き Ψ値の増加に続いてシフトが見られる。変動の傾向は直線フィッティング方向からわずかにずれている。これは、2Dペロブスカイト相の不均一な分布がデバイスの安定性と性能に悪影響を及ぼしていることを示唆している。逆に、 CDMAフィルム、無視できる変位 両領域でΨの増加が明らかになった。
ウィリアムソン・ホール プロットで残留ひずみを計算後、結果は一致しました。これは、DJ ペロブスカイトにはほとんど残留ひずみがなく、この特性がその安定性に貢献していることを示唆しています。
100ヶ月間保管した後、フィルムの黒色相は完全に変換され、広いバンドギャップ相に分解しました。一方、CDMAフィルムでは、XNUMX日間保管した後、顕著な 不純物の回折ピークのない水分安定性が認められた.
さらに、フィルム表面の水接触角を測定することでフィルムの耐水性を調べた。CDMAは 大きな水接触角（51°） PDMAは 小さい角度（41°）これは、CDMA ペロブスカイト フィルムの耐水性が高いことを示しています。下の画像に示す動的接触角曲線は、CDMA ペロブスカイト フィルムの優れた耐浸水性を裏付けています。
結論
その結果、研究者らは、柔軟な有機カチオンを層間置換に組み込むことで、DJ ペロブスカイト構成の構造安定性を向上できることを発見しました。これに基づいて、研究者らは一連の層間置換 DJ ペロブスカイトを設計しました。さらに、この材料をブレードコーティングプロセスに適用しました。これにより、より高い効率と安定性が達成されました。さらに、経年劣化テストでは、デバイスの劣化も最小限に抑えられました。
全体として、研究者らは、新しく開発されたシリーズには、さまざまな用途に使用できる安定した 2D ペロブスカイトを構築する可能性があると結論付けています。
