Perovskiet-zonnecellen (PSC's) hebben veelzijdige toepassingen, waardoor ze een veelbelovend apparaat zijn voor het dagelijks leven. In deze studie optimaliseren onderzoekers ETL-gebaseerde bifaciale perovskiet-zonnecellen voor flexibele apparaten via simulatie. Het proces wordt uitgevoerd door de geschikte voorste transparante elektrode (FTE), gattransportlaag (HTL) en achterste transparante elektrode (RTE) te selecteren.
ETL-gebaseerde bifaciale perovskietzonnecellen voor flexibele apparaten
Er werd geconstateerd dat het rendement van de energieomzetting (PCE) van de perovskietcel aanzienlijk verbeterd was . Dit werd mogelijk gemaakt door een putachtige structuur met een kleine geleidingsbandverschuiving (CBO) op het grensvlak van FTE/perovskiet. Er werd echter een prestatievermindering waargenomen bij een opwaartse verschuiving van de valentieband van de HTL.
Hoogtepunten
- Om de ETL-vrije bifaciale perovskiet voor flexibele apparaten te optimaliseren.
- Een minimale CBO op de perovskietinterface kan de prestaties van het apparaat verbeteren.
- De bandgap en elektronenaffiniteit van RTE hebben een grote invloed op de prestaties van het apparaat.
- 1.4 eV perovskiet is het geoptimaliseerde type.
- Voor beide verlichtingsomstandigheden geeft het apparaat een PCE >27% aan.
Het rendement van perovskiet-zonnecellen is in tien jaar tijd gestegen van 3.8% naar 26.1% . Daarom hebben organisch-anorganische metaalhalide-perovskiet-zonnecellen de laatste tijd veel aandacht gekregen.
De ontwikkeling van flexibele PSC's wordt echter vertraagd door de hoge sintertemperatuur van de elektronentransportlaag (ETL). Bij omgekeerde PSC's gebruikten onderzoekers voornamelijk [6,6]-fenyl-C61-boterzuurmethylester (PCBM) als ETL om ze zeer efficiënt te maken. Omdat PCBM duur is, verhoogt de toepassing ervan in het apparaat de totale kosten.
Vervolgens probeerden onderzoekers PSC's zonder ETL, die de meest veelbelovende en acceptabele apparaten bleken te zijn. Deze aanpak heeft een eenvoudige configuratie en elimineert complexe voorbereiding, waardoor de benodigde tijd en energie worden verminderd.
Leuk weetje : Liu et al. ontwikkelden de eerste PCE met een rendement van 13.5%.
De huidige PCE-cellen hebben een efficiëntie van 20-22%, maar lopen nog steeds achter vanwege de onevenwichtige ladingsoverdrachtsnelheid.
Reden : Geen permanent ingebouwd veld beschikbaar wanneer ETL niet beschikbaar is.
Overwegen van verschillende benaderingen
Onderzoekers overwogen het gebruik van concentratoren, PV-materialen met 2 of meer verschillende bandgaps in tandemopstelling en een bifaciale benadering. Al deze zaken zijn gericht op het verbeteren van de prestaties van het apparaat en het aanmoedigen van een brede acceptatie van de technologie. Omdat het bifaciale ontwerp eenvoudig en goedkoop is, verhoogt het de efficiëntie van de vermogensomzetting tegen iets hogere kosten door een transparante elektrode aan de achterkant toe te voegen.
Door de transparante elektroden te installeren, kan licht van beide kanten het systeem binnenkomen. Hierdoor kunnen bifaciale zonnepanelen potentieel een rendement behalen dat meer dan 30% hoger ligt dan dat van monofaciale panelen. Verschillende factoren spelen hierbij echter een rol, zoals de hellingshoek, de reflectiviteit van het grondoppervlak en de hoogte boven de grond. Bovendien kunnen de voordelen van bifaciale panelen en flexibele zonneceltechnologie gecombineerd worden tot efficiënte en veelzijdige systemen voor het opwekken van zonne-energie.
Toepassingen van ETL-vrije flexibele bifaciale PSC :
- Opvouwbare schaduw op de winkels
- Opvouwbare raambekleding
- Op de zeilen
- Of een parasol op het strand
Het is mogelijk om flexibele PSC's te verwerken met de rol-tot-rolmethode en ze kunnen worden ingekapseld met goedkope flexibele lagen. Hoewel flexibele bifaciale PSC's een nieuwe technologie zijn, die nog steeds in onderzoek en ontwikkeling is, hebben ze opmerkelijke vorderingen gemaakt.
In een initiatief ontwikkelt NREL windturbinebladen van recyclebare hars.
Met behulp van simulatie was het voor onderzoekers eenvoudig om te mikken op de gewenste parameters of eigenschappen van de achterste transparante elektrode (RTE). Dit stelt hen in staat om optimale prestaties van het apparaat te bereiken. In het huidige simulatiewerk hebben onderzoekers ETL-vrije bifacial gekopieerd volgens het volgende diagram.
Door flexibele zonnecellen met verschillende elektroden, grensvlakdefectlagen en gatentransportlagen te bestuderen, ontdekten onderzoekers de bandafstemming en potentiële barrières die de algehele prestaties verbeteren. Bovendien behaalden ze een rendement van meer dan 27% onder verschillende omstandigheden door de bandgap van de perovskietabsorber te optimaliseren tot 1.4 eV.
Structuur van het apparaat en simulatieparameters ETL-gebaseerde perovskiet
- Onderzoekers gebruikten het eendimensionale Solar Cell Capacitance Simulator (SCAPS-1D)-pakket om het voorgestelde apparaat te simuleren.
- Bovendien werd, om een bifaciaal apparaat te ontwerpen op basis van een gevalideerd apparaat, Au vervangen door een transparante elektrode van Cu/Cu2O-composietlaag.
- Passivated-FTO (PFTO) werd gebruikt als FTE.
Resultaten en discussie
Effecten van de Front Transparent Electrode (FTE)
In ETL-vrije PSC's moet de FTE ontworpen zijn met een hoge transparantie en een verbeterde bandafstemming voor efficiënt ladingstransport. Onderzoekers hebben verschillende FTE's ontwikkeld, zoals met zirkonium gedoteerd In2O3 (Zr:In2O3), ITO, met aluminium gedoteerd ZnO (Al:ZnO) en gepassiveerd/gemodificeerd FTO (PFTO). Bij lagere temperaturen was het eenvoudig om deze elektroden op een flexibel substraat aan te brengen.
Uit het volgende banddiagram blijkt dat CBO bij de FTE-interface die dicht bij 0 ligt, een hogere PCE heeft getrokken. De richting van een elektrisch veld bij ITO is tegengesteld aan de HTL-interface, wat niet geschikt is voor efficiënt ladingstransport.
Dit wordt beschouwd als de potentiële barrière voor elektronen die naar FTE's stromen. Apparaat met een kleinere CBO-waarde vertoont minder recombinatie op de FTE-interface volgens het recombinatieprofiel. Er is een toename in de elektronenaffiniteit van FTE met een negatieve verandering in de CBO op de FTE-interface. Dit was te wijten aan het verschil in de elektronenaffiniteit tussen aangrenzende lagen.
Naarmate de dikte van de FTE-lagen toeneemt, neemt de PCE van het apparaat af wanneer het vanaf de FTO-zijde wordt belicht. Er werden echter geen significante veranderingen waargenomen voor achterbelichting.
Effect van de Hole Transport Layer (HTL)
Voor deze studie werden verschillende HTL's zoals DM, Cul, Cu2O en CuSCN gebruikt op het prestatiereferentieapparaat. Het volgende energiebanddiagram toont een gewijzigde banduitlijning op perovskiet- of HTL- en HTL/RTE-interfaces. Bij belichting van achteren vertoont de recombinatie in Cul- en CuSCN-apparaten dezelfde SRH-recombinatieprofielen. Er zijn hogere mogelijkheden voor directe recombinatie met hogere valentieniveaus van de aangrenzende laag.
Effect van grensvlakdefectlagen
Tijdens het thermisch gloeiproces worden defecten in het grensvlak zichtbaar. Deze defecten worden versterkt als het grensvlak geen zuurstofvacatures, roosterverschillen en een stoichiometrische samenstelling vertoont. De studie beschrijft drie soorten defecte grensvlakken, zoals hieronder vermeld :
- HTL/achterelektrode: Veroorzaakt door reactie van de achterelektrode met HTL in aanwezigheid van zuurstof.
- TCO/perovskiet: Een defect in deze interface leidt tot zuurstofvacature.
- Perovskiet/HTL: Elk defect hierin leidt tot een roostermismatch.
- Voor defectdichtheid kleiner dan 10^16 cm−3 blijft de PCE van het apparaat hetzelfde. Het toont een lagere recombinatiesnelheid in de interfacelaag.
- Bij een concentratie hoger dan 10^16 cm−3 neemt de recombinatiesnelheid toe, waardoor de efficiëntie van het apparaat afneemt.
- Op dezelfde manier is er met een toename in de dikte van de interface defectlaag een lineaire afname in de PCE van het apparaat. Het leidt tot een toename in de recombinatiesnelheid in de IDL-regio.
Dit fenomeen ondersteunt de vereisten om het defect in de PFTO/perovskite-interface te verminderen via passivering of een andere geschikte verwerkingsmethode. Meestal wordt de voorkeur gegeven aan oppervlaktepassivering om de oppervlaktemorfologie te wijzigen.
Effect van de achterste transparante elektrode (RTE)
Deze elektrode speelt een belangrijke rol bij het bepalen van de algehele prestaties van bifaciale PSC's . Twee belangrijke factoren die de prestaties van bifaciale zonnecellen beïnvloeden, zijn de elektronenaffiniteit en de bandgap. Bifaciale PSC's hebben een lagere PCE (Power Conversion Efficiency) vergeleken met hun enkelzijdige tegenhangers, wat een belangrijke impact heeft op de RTE (Radiotope Electron). Een verandering van negatief naar positief in de VBO (Valley-Bond Orientation) bij de HTL/RTE-interface (Hot Layer/Radiotope Electron) wordt waargenomen bij een toename van de bandgapwaarde van de RTE.
Onder beide belichtingsomstandigheden vertoont het apparaat een maximale PCE bij een VBO van +0.29 eV (bandgap ~2.4 eV). Wanneer de elektronenaffiniteit 3.3 eV is voor beide soorten belichting met een VBO van +0.13 eV bij HTL/RTE, verbetert de prestatie van het apparaat.
Met een toename in elektronenaffiniteit van RTE verschuift de VBO tussen HTL/RTE naar positief. De studie toont aan dat het NAN-gebaseerde apparaat een hogere PCE vertoont voor achterverlichting. Het geeft een verminderde elektrische veldsterkte in de negatieve richting aan in NAN-gebaseerde apparaten op de HTL/RTE-interface. Bovendien neemt het PCE-apparaat toe met een toename in werkfunctie en raken ze verzadigd voor grote werkfuncties.
In een ander onderzoek werd een perovskiet-silicium tandemzonnecelmodule met een rendement van 28% van PeroNova geïntroduceerd.
Optimalisatie van de perovskietlaag
Zoals hierboven besproken, hebben we verschillende combinaties van apparaten gesimuleerd met verschillende FTE, HTL en RTE. De ladingdragergeneratie neemt af met een toename van de perovskiet-absorberlaag. Daarentegen neemt de VOC toe met de toename van het ingebouwde potentieel van de absorberlaag. Het PCE-apparaat neemt toe tot een geoptimaliseerde bandgap van 1.4 eV en andere zijn als volgt:
- Frontverlichting PCE 24.65%
- Achterverlichting PCE 25.48%
De defectdichtheid van de perovskiet-absorberlaag werd verlaagd van 8.0 × 10^14 cm−3 naar 1.0 × 10^14 cm−3 . Dit leidde tot een toename van het rendement van het apparaat tot 26.27% bij belichting aan de voor- en achterzijde, en tot 26.45%.
Bovendien, na optimalisatie van de dikte van de absorptielaag tot 800 nm en vervolgens verlaging van de defectdichtheid tot 1.0 × 10¹⁴ cm⁻³ , is het rendement van het apparaat gestegen tot 26.88% (voorverlichting) en 27.35% (achterverlichting).
Conclusies
Dus, met deze conclusie concluderen onderzoekers dat het gebruik van een simulatiepakket om ETL-vrije bifaciale PSC's te optimaliseren. Door de impact van verschillende materialen op de prestaties van het apparaat te bestuderen, werd waargenomen dat bepaalde materialen de prestaties verbeterden vanwege hun specifieke eigenschappen. Bovendien zijn de bandgap, defectdichtheid en dikte belangrijke bepalende factoren van de perovskiet-absorberlaag. Zo werd de vermogensconversie-efficiëntie van meer dan 27% bereikt met een geoptimaliseerde configuratie voor zowel achter- als voorbelichting.
