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 opgemerkt dat de De vermogensconversie-efficiëntie (PCE) van het perovskietcelapparaat werd aanzienlijk verbeterd. Dit werd mogelijk met een well-like structuur met een kleine conduction band offset (CBO) op de interface van FTE/perovskite. Echter, prestatievermindering werd opgemerkt met een opwaartse verschuiving in de valentieband van 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.
De omzettingsefficiëntie (PCE) van perovskiet-zonnecellen is steeg van 3.8% naar 26.1% in een decenniumZo 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 onderzoeken onderzoekers voornamelijk gebruikte [6,6]-fenyl-C61-boterzuurmethylester (PCBM) als ETL om ze zeer efficiënt te maken. Omdat PCBM duur zijn, verhoogt het opnemen ervan in het apparaat de totale kosten van het apparaat.
Onderzoekers dan geprobeerd ETL-vrije PSC's welke de meest veelbelovende en acceptabele apparaten zijn. Deze aanpak heeft een eenvoudige configuratie en elimineert complexe voorbereiding, waardoor de benodigde tijd en energie worden verminderd.
Snel feit: Liu et al. ontwikkelden de eerste PCE met 13.5%.
De huidige PCE-cellen hebben een efficiëntie van 20-22%, maar lopen nog steeds achter vanwege de onevenwichtige ladingsoverdrachtsnelheid.
Reden: Gebrek aan permanent ingebouwd veld wanneer ETL ontbreekt.
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 er van beide kanten licht in het systeem komen. Hiermee kunnen bifaciale zonnepanelen potentieel een meer dan 30% hogere PCE behalen in vergelijking met monofaciale panelen. Er zijn echter verschillende factoren die hetzelfde bepalen, zoals kantelhoek, reflectiviteit van het grondoppervlak en hoogte boven de grond, enz. Bovendien kunnen, als de voordelen van bifaciale en flexibele zonneceltechnologie worden gecombineerd, ze resulteren in efficiënte en veelzijdige apparaten voor het oogsten 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, NREL ontwikkelt 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, interfaciale defectlagen en gatentransportlagen te observeren, ontdekten onderzoekers de banduitlijning en potentiële barrières om de algehele prestatie te verbeteren. Bovendien behaalde >27% efficiëntie 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 worden ontworpen met hoge transparantie en verbeterde banduitlijning voor efficiënt ladingstransport. Onderzoekers hebben verschillende FTE's blootgelegd zoals Zirkonium-gedoteerde In2O3 (Zr:In2O3), ITO, aluminium-gedoteerde ZnO (Al:ZnO), en gepassiveerd/gemodificeerd-FTO (PFTO). Bij lagere temperaturen was het eenvoudig om deze elektroden op een flexibel substraat te deponeren.
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.
KAUST onthult 33.7% efficiënte en stabiele perovskiet-silicium tandemzonnecellen.
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 gloeien worden defecten van de interface benadrukt. Deze defecten worden bevorderd als de interface geen zuurstofvacature, roostermismatch en stoichiometriecompositie heeft. De studie gaat over 3 soorten defectinterfaces hieronder genoemd:
- 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)
In deze De elektrode speelt een belangrijke rol bij het bepalen van de algehele prestatie van de bifaciale PSC's. Twee belangrijke factoren die de prestaties van bifaciale zonnecellen beïnvloeden, zijn elektronenaffiniteit en bandgap. Bifaciale PSC's hebben een lagere PCE vergeleken met hun enkelzijdige tegenhanger, wat de RTE op belangrijke manieren beïnvloedt. Een verandering van negatief naar positief in de VBO op de HTL/RTE-interface wordt waargenomen met een toename van de bandgapwaarde van RTE.
Voor beide verlichtingsomstandigheden toont het apparaat een maximale PCE bij VBO van +0.29 eV (bandgap ~2.4 eV). Wanneer de elektronenaffiniteit 3.3 eV is voor beide soorten verlichting met een VBO van +0.13 eV bij HTL/RTE, verbeteren de prestaties 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 28% efficiënte perovskiet-silicium tandemzonnemodule van PeroNova werd 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 perovskiet in de absorberende laag werd verminderd van 8.0 × 10^14 cm−3 tot 1.0 × 10^14 cm−3Het leidt tot een toename van apparaat PCE tot 26.27% en 26.45% voor voor- en achterverlichting.
Bovendien, na het optimaliseren van de dikte van de absorberende laag tot 800 nm en vervolgens de defectdichtheid verlagen tot 1.0 × 1014 cm−3. Dit verhoogt de PCE van het apparaat 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.
