De efficiëntie van perovskiet-zonnecellen is gestegen tot ongeveer 26%. Grootschalige productie blijft echter een uitdaging vanwege traditionele methoden zoals spincoating. Om dit te overwinnen, hebben onderzoekers van de Universiteit van Rome Tor Vergata het blade coating-proces verfijnd om grootschalige PV-zonnepanelen met een efficiëntie van 12.6% te creëren. Hiervoor gebruikten ze een nikkeloxide-gatentransportlaag in de omgevingslucht in combinatie met een niet-giftig oplosmiddel.
Doel van de studie – Aantonen van de vooruitgang in de grootschalige productie van PV-cellen die langdurige stabiliteit en efficiëntie bieden.
12.6% efficiënte PV-zonnepanelen met groot oppervlak
Om de uniformiteit van de perovskietfilm te verbeteren, introduceerden onderzoekers zelfassemblerende monolagen tussen de lagen. Hierdoor behaalden modules met een actief oppervlak van 110 cm² een rendement van 12.6% . Bovendien behielden ze 84% van hun oorspronkelijke rendement na 1,000 uur bij 85 °C in de lucht.
Voor de fabricage van perovskiet-zonnecellen (PSC's) worden twee hoofdarchitecturen gevolgd, gebaseerd op de volgorde van de ladingstransportmaterialen:
- Normaal (nip)
- Omgekeerd (pin)
Hier vertonen omgekeerde PSC's een verbeterde stabiliteit en een verminderd hysterese-gedrag. Dit maakt ze geschikt voor potentiële commercialisering. Voor de productie van compact nikkeloxide in grootschalige PV-zonnecellen worden verschillende depositieprocessen gebruikt, die worden onderverdeeld in printbare en niet-printbare methoden.
Ondanks de diverse voordelen van printbare depositietechnieken, bestaat er een aanzienlijk verschil tussen kleinschalige en grootschalige printbare NiOx-gebaseerde PSC's. Zo daalde de efficiëntie van PSC's die in de omgevingslucht werden gedeponeerd tot 20.7% op kleine schaal en 10.34% voor grote modules met een actief oppervlak van 3.7 cm².
Procedures die in de studie zijn aangenomen
Onderzoekers hebben een procedure ontwikkeld om NiOx te printen over substraten van 15 cm bij 15 cm zonder spincoatingstap. Modules met een actief oppervlak van 110 cm2 werden gemaakt met doctor-blading NiOx/MeO-2PACz/perovskite en thermische verdamping. Verder bereikte de beste module, door de NiOx-inkt te optimaliseren en een zelfgeassembleerde monolaag toe te voegen, ongeveer 12.6% PCE.
Onderzoekers stelden vast dat deze modules qua stabiliteit, efficiëntie en prestaties beter presteerden dan eerdere PV-modules met een groot oppervlak.
Resultaten en discussie: NiOx Optimalisatie van filmdikte en uniformiteit
Nadat de NiOx-film door middel van doctor-blading in een NiCl2·6H2O-oplossing onder omgevingsomstandigheden op ITO-substraten was aangebracht, werden deze films bij 300 °C verhit om ontleding en oxidatie te bevorderen . Vervolgens werd atmosferische zuurstof gebruikt om de NiOx-film te vormen.
Onderzoekers hebben 4 concentraties op glas/ITO-substraten afgezet, wat een referentieoplossing is van 0.15 M, samen met 0.075 M (1:1 verdunning), 0.050 M (1:2 verdunning) en 0.037 M (1:3 verdunning). De filmdikte gemeten met behulp van ellipsometrie was meer dan 140 bij 140 mm.
De variatie in filmdikte is te wijten aan niet-uniforme doctorblading, die verbeterde met hogere oplosmiddelverhoudingen. De filmdikte en viscositeit namen echter af met verdunning. De dikte nam dus af naarmate de precursorconcentratie werd verdund, wat resulteerde in: 42.2 nm (0.075 M), 40.0 nm (0.05 M) en 36.2 nm (0.037 M).
De volgende afbeelding toont de resultaten van röntgenfoto-elektronenspectroscopie (XPS) en röntgenreflectometrie (XRR). Beide tests werden gebruikt om de NiOx-oxidatie te beoordelen.
- XPS-spectra laten zien dat in het bereik van 850-860 eV 4 pieken correspondeerden met Ni, NiO (Ni²⁺), NiOH (Ni²⁺) en Ni2O3 (Ni³⁺).
- Aangegeven bindingsenergieën van ongeveer 852.0, 853.5, 855 en 856 eV werden gebonden door Gaussiaanse fits. Dit komt overeen met de literatuurwaarden.
- Een dominante NiO-piek duidt op een sterk geoxideerde film. Ze worden geschikt geacht voor toepassingen zoals gatentransportlagen in PSC's.
- Met 1:1 concentraties blijft het prominent aanwezig, maar er werd ook een toename in Ni- en Ni203-bijdragen opgemerkt. Dit suggereert verder dat er een vermindering in oxidatie-efficiëntie was.
- Bij concentraties van 1:2 en betere oxidatie vanuit dunnere films, toont een hoger Ni203OXNUMX meer Ni³⁺.
- Verdere verdunning tot 1:3 concentraties toont een toename in Ni203 ten opzichte van NiO. Dit suggereert niet-uniformiteit in filmdikte en oxidatie.
Over het algemeen vonden onderzoekers dat een verlaagde precursorconcentratie correleert met een verhoogde nikkeloxidecomplexiteit en hogere oxidatietoestanden. Een lagere NiO-bijdrage vermindert echter met minder precursor.
Ontdek meer over ETL-gebaseerde bifaciale perovskiet-zonnecellen voor flexibele apparaten: een simulatiestudie.
Resultaat van XRR-meting
Er werden geen Kiessig-franjes opgemerkt toen XRR-metingen de elektronendichtheid op NiOx-afgezette substraten onderzochten. Kritische hoeken correleren met verstrooiingsvolume, wat het volgende laat zien:
- Uniformiteit door lage dispersie
- Heterogeniteit door hoge spreiding
Er was een opwaartse verschuiving in elektronendichtheid met een verlaagde precursorconcentratie. Dit geeft duidelijk aan dat dichtere films met hogere verdunning mogelijk zijn vanwege betere oxidatie of verdichting tijdens het gloeien. Dunnere films laten een verbetering zien in de prestaties van PV-zonnecellen, omdat ze nog steeds verbeterde eigenschappen vertonen.
Waarnemingen
- Het meest homogene is het referentiemonster en de 1:2 geconcentreerde NiOx-afzetting.
- Bij een concentratie van 1:3 werd een minder uniforme film waargenomen.
- De interface- of oppervlakteruwheid werd geschat met de Fresnel Reflectivity. Voor een referentiemonster en een 1:2-concentratie was deze ongeveer 4.5 (5) nm. Deze waarde blijft constant over alle patronen.
- Een hogere ruwheidsdispersie werd opgemerkt in monsters verkregen uit 1:1 en 1:3 concentratieplaten. De waarden voor het 1:1 XRR-profiel variëren van 2.5 (5) nm tot ongeveer 4.5 (5) nm. Voor het 1:3 XRR-profiel is dit ongeveer 4.5 (5) nm tot ongeveer 7.0 (5) nm.
Interface Engineering en Perovskietfilmmorfologie
Dit onderzoek naar perovskiet-zonnepanelen richtte zich op de depositie van de perovskietlaag, voortbouwend op eerder werk met een tweestaps blade coating-methode met behulp van niet-giftige oplosmiddelen. We ontwikkelden een dubbelkation-perovskiet (Cs0.15FA0.85PbI3−xBrx) door middel van geoptimaliseerde parameters en additieven om de filmkwaliteit te verbeteren. De tweestaps depositie omvat het gebruik van PbI2-(FAI)0.3-(CsI)0.15 in DMSO, gevolgd door FAI/FABr in isopropylalcohol, waarbij vier droogmethoden werden voorgesteld. In deze studie werden deze technieken getest op stijve substraten, waarbij hoogwaardige films werden geproduceerd op substraten van 15 cm × 15 cm. Dit effent de weg voor een universele, groene perovskietformulering voor diverse apparaten en substraten.
Door SEM-beelden werd duidelijk dat sommige defecten op de PV-film werden veroorzaakt door de niet-geoptimaliseerde NiOx-laag (0.15 M). Defecten omvatten pinholes en zichtbare balken die voornamelijk te wijten waren aan ongelijkmatige afzetting. Aan de andere kant werden minder defecten waargenomen in de geoptimaliseerde NiOx-laag (0.05 M), zoals kleinere deeltjes en minder pinholes.
Uit andere onderzoeken blijkt het volgende:
- De resultaten in de geoptimaliseerde laag waren echter beter dan voorheen, maar het voorkomen van pinholes bleef bestaan. Dit duidt op een grote uitdaging met betrekking tot de hechtingsproblemen tussen de NiOx-film en PV-precursorinkten.
- De UV-ozon en plasma conventionele oppervlaktebehandelingen hebben een negatief effect op de NiOx-film. Dit verergert de interfaceproblemen, zoals de vorming van overtollig Pbl2. Dit kan zich gedragen als een gatextractiebarrière, vermindering van de open circuitspanning van de inrichting.
- Daarnaast wordt de lage geleidbaarheid van de NiO kan schadelijk zijn voor de prestaties van perovskiet-zonnecellen.
Om al deze problemen te voorkomen en de bovenstaande situaties te verbeteren, gebruikten onderzoekers een zelfgeassembleerde monolaag (SAM) van MeO-2PACz op de HTL/perovskiet-grensvlak.
Bij een andere poging ontdekten onderzoekers dat ultrastabiele 2D Dion-Jacobson-perovskieten een rendement van 19.11% behalen.
Waarnemingen
- De SEM-afbeelding van de perovskietfilm bevestigt de effectiviteit van de gebruikte methoden: SAM-laag.
- De perovskietfilms waren zeer uniform en er waren geen gaatjes.
- Uit de ellipsometriediktekaart blijkt dat de gemiddelde bereikte filmdikte 570 mm bedroeg, wat de uniformiteit eveneens ondersteunt.
- Door het doctorbladingproces is er een gradiënt met een begindikte van 700 nm. Ook is er tegen het einde van de coating een lichte afname daarvan.
- Uniformiteit werd echter bereikt door de SAM-laag te gebruiken en hechtingsproblemen werden hiermee aangepakt. Het resultaat was stabiele en industriële perovskietzonnemodules.
Modules en lange termijn stabiliteit van 12.6% efficiënte PV-zonnepanelen met groot oppervlak
Ten slotte werd de succesvolle assemblage van de perovskiet-zonnemodule uitgevoerd door verdamping van C60/BCP als elektronentransportlaag (ETL). Vervolgens werd de P2-laser-scribing en daaropvolgende verdamping van de koperelektrode uitgevoerd. Vervolgens werd het proces afgesloten met P3-scribing. De kenmerken van de PV-module met 22 in serie geschakelde cellen zijn als volgt:
- Efficiëntie – 12.6%
- Kortsluitstroom (ISC) – 98.13 mA
- Vulfactor – 63.49%
- Open circuit spanning (VOC) – 22.3 V
- Hysterese-index van bijna-eenheid – 1.02
Echter, een opmerkelijke consistentie in prestaties tussen voorwaartse en achterwaartse meetscans wordt aangetoond door de near-unity hysteresis index. Dit benadrukt de betrouwbare werking van de perovskietmodule.
Conclusie
Concluderend bevordert dit onderzoek de schaalbaarheid van de 12.6% efficiënte PV-zonnemodules met een groot oppervlak voor commercieel gebruik. Door gebruik te maken van de doctorblading werd het mogelijk om een PSC-module met een groot oppervlak te maken met NiOx HTL. Het uiteindelijke resultaat was een niet-giftige perovskietformulering. En tot slot tonen de PSC's met verbeterde stabiliteit en prestaties hun potentieel voor toekomstige optimalisatie en commerciële toepassingen.
