Naast efficiëntie is stabiliteit al lang een zorg voor perovskiet PV's en hun praktische toepassingen. Tot op heden zijn dergelijke stabiele materialen voor fotovoltaïsche cellen en gegevens hierover onvoldoende en onderzoekers proberen verschillende materialen om beter inzicht te krijgen. In deze onderzoeksstudie worden de ultrastabiele en efficiënte Dion-Jacobson perovskiet zonnecellen voor fotovoltaïsche toepassingen getest.
Het team heeft met succes zonnecellen met een bladcoating ontworpen met schaalbare technologie voor Dion-Jacobson (DJ) perovskieten, die toonde een energieomzettingsrendement van ongeveer 19.11% in verschillende omgevingsomstandigheden.
doel van de studie – Om systematisch onderzoek te doen naar sleutelfactoren van stabiliteit in DJ-materialen. Om de richtlijnen te vinden voor het ontwerpen van stabiele DJ-perovskieten voor gestabiliseerde en efficiënte schaalbare zonnecellen.
Prestaties van ultrastabiele en efficiënte Dion-Jacobson Perovskite zonnecellen
2D perovskieten hebben de voorkeur boven 3D-perovskieten vanwege hun gewenste fotofysische en inherente structurele eigenschappen. DJ-type perovskiet met ditopische diammoniumkationen versterkt de verbinding tussen anorganische lagen en verhoogt de stijfheid van de structuur. Dit verbetert de stabiliteit verder. Verschillende studies Uit onderzoek op Ruddlesden-Popper (RP) en Dion-Jacobson (DJ) perovskieten blijkt dat de laatste minder stabiel is in de atmosferische omgeving.
Bij voorbeeldBinnen enkele uren werd een slechte vochtstabiliteit waargenomen in de op 1,4-fenyleendimethaanmmonium en m-fenyleendiammonium gebaseerde DJ-perovskieten.
Volgens de structurele analyse hebben deze materialen een unieke interlaag-verplaatsingskwantum en putconfiguratie, waardoor ze zich onderscheiden van andere DJ-perovskieten. Dit leidt tot minder tussenlaagafstand en geoptimaliseerd ladingstransport en structurele integriteit in de tussenlaag.
Voor interlaagkationen behoudt het gebruik van cycloalkyl organische kationen de elektronegativiteit en flexibiliteit van de moleculen. Het is ook voordelig ten opzichte van alkylketen- en arylorganische kationenMet deze aanpak wordt de roosterspanning effectief geminimaliseerd, wat uiteindelijk leidt tot algehele structurele stabiliteit.
Hoogtepunten
- Introductie van een nieuwe serie DJ (CDMA 1, 4-cyclohexaandimethaanmmonium, n≥1) (MA)n-1Pbn3n+1 voor stabiele en efficiënte zonnecellen.
- Deze niet-ingekapselde cellen behielden 92% van hun efficiëntie gedurende meer dan 4000 uur onder verouderingsomstandigheden met een relatieve vochtigheid (RV) van ~90%.
- Deze cellen zijn operationeel en thermisch stabiel bij 85° C.
- Geen verlies van efficiëntie na 5000 uur behandeling.
- Geen rendementsverlies na bedrijf bij maximaal vermogen (MPPT) van 45° C gedurende 6000+ uur onder continu licht (100 mW cm-2).
Het proces van het onderzoek
De schaalbare blade coating deposition-techniek werd gebruikt om het potentieel van DJ-perovskieten voor grootschalige zonnecellen te demonstreren. De referentiezonnecellen gebruikten de nominale n=5 PDMA DJ-perovskiet. Deze staan bekend om het verbeteren van de stabiliteit van het apparaat en hebben vergelijkbare organische moleculaire configuraties.
| Eigenschappen van de cellen | Referentie-apparaat | Nominaal apparaat n = 5 CDMA-gebaseerde perovskietzonnecellen |
| PCE | 14.87% | 19.11% |
| Open circuit spanning (VOC) | 1.06 V | 1.16 V |
| Kortsluitstroomdichtheid (JSC) | 18.32 mA cm−2 | 20.41 mA cm−2 |
| Vulfactor | 76.46% | 80.56% |
Het hoogste efficiëntie voor blade coating 2D perovskieten is de PCE van CDMA, volgens de onderzoekers. De volgende afbeelding toont de huidige dichtheid-spanning (JV) curven van de DJ zonnecellen.
Externe kwantumefficiëntie (EQE)
Onderzoekers hebben de kortsluitstroomdichtheid (JSC) van het apparaat gemeten met EQE. Het PDMA-apparaat heeft een lagere EQE dan CDMA. Over het zichtbare lichtabsorptiegebied, de JSC van PDMA was 17.57 en CDMA was 19.58 mA cm-2Deze waarden kwamen overeen met de gemeten JSC onder de zonnestimulator.
Stabiliteit van zonnecellen onder verschillende omstandigheden
Daarnaast bestudeerden de onderzoekers de stabiliteit van de cellen onder invloed van hitte, licht en vocht.
Lichte stress
De operationele stabiliteit werd gecontroleerd onder een stikstof-atmosfeer handschoenkast met behulp van een MPPT-tracking onder een gesimuleerde 1-zon witte LED (light-emitting diode). De test bij ongeveer 45° C gedurende 6000+ uur veroudering zonder een neerwaartse trend.
- PDMA – PCE met ongeveer 30% verlaagd.
- CDMA – Lichte schommelingen rond hun initiële efficiëntie.
Warmte
De thermische stabiliteit van de zonnecellen werd gecontroleerd op een verwarmingsplaat bij 85° C.
- PDMA – 50% afname van de initiële efficiëntie.
- CDMA – Verwaarloosbare efficiëntie, zelfs na 5000 uur.
Dit bevestigt de superieure thermische tolerantie van CDMA-perovskietcellen.
Vocht
De niet-ingekapselde zonnecellen werden opgeslagen in een kamer met een constante vochtigheidsgraad, ongeveer ~90% RV bij ~22° C. Dit veroorzaakt de volgende effecten op beide apparaten.
- PDMA – Snelle afname van PCE tot nul na 500 uur veroudering.
- CDMA – Toont een initiële efficiëntie van ongeveer 92% na 4394 uur veroudering.
Door de verouderde apparaten te vergelijken, zien we dat de actieve laag van de PDMA-gebaseerde apparaten kleurloos is geworden, terwijl het CDMA-gebaseerde apparaat geen zichtbare verkleuring vertoont. Dit bevestigt dat CDMA DJ-perovskieten een hoge vochtigheidstolerantie hebben. Volgens de onderzoekers is de CDMA-serie de beste tussen 2D- en 3D-perovskietzonnecellen, zoals blijkt uit de onderstaande geconsolideerde afbeelding.
Apparaatkenmerken:
Karakterisering van het apparaat
De volgende afbeelding toont een statistische verdeling van de berekende hysteresefactor. Deze werd gemeten vanuit de PCE van PDMA- en CDMA-zonnecellen. Dit duidt op een relatief lagere en stabiele gedistribueerde hysterese in CDMA, wat bevorderlijk kan zijn voor het produceren van stabiele en schaalbare zonnecellen voor praktische toepassingen.
Karakterisering van de perovskietfilms
De onderzoekers gebruikten Top-view scanning elektronenmicroscopie (SEM) om de morfologie van perovskietfilms te bestuderen.
Volgens de observatie was er een gelijkmatige korrelverdeling in PDMA perovskietfilms. Terwijl CDMA een duidelijke vergroting van de korrelgroottes samen met enkele kleine 2D wafers die de corresponderende korrelgrenzen bedekken. Dit omvat mogelijk zelfpassivering van de interface om stabiliteit te garanderen. Bovendien helpt het om ultraviolet-zichtbare (UV-Vis) absorptiespectra en XRD-metingen van de bladecoating mogelijk te maken.
CDMA-films hebben een relatief smallere volledige breedte bij de helft van het maximum (FWHM) samen met de sterkere intensiteit van diffractiepieken. Dit suggereert verbeterde kristalliniteit en vergrote korrelgroottes volgens Scherrer's vergelijking.
Volgens de UV-Vis absorptiespectra hebben beide DJ perovskietfilms 2D faseverdelingen. CDMA heeft echter een hoge intensiteit, wat duidt op een overvloedige 2D faseverdeling, wat gunstig is voor de kortegolfabsorptie en filmstabiliteit.
Grazing Incidence Wide-Angle X-ray Scattering (GIWAXS) observatie toont aan dat CDMA relatief sterke en discrete Bragg spots heeft. Dit duidt op een betere kristallisatie die het ladingstransport ten goede komt.
Een onderzoek door wetenschappers van HKUST concludeert het verwijderen van concaviteiten verbetert de stabiliteit van perovskietfilms
Karakterisering van spanning en stabiliteit van DJ Perovskite Films
Onderzoekers geselecteerd 2 dieptes om de restspanning te onderzoeken in beide apparaten volgens de faseverdeling die wordt getoond door de TA-karakterisering. Een oppervlakkig gebied gekenmerkt door 3D-achtige fasen en een hoge concentratie van 2D-perovskieten in een dieper gebied werden waargenomen in het materiaal. Volgens de onderstaande afbeelding, de grazend incident röntgendiffractie (GIXRD) van PDMA-perovskietfilms was relatief ten opzichte van het 310 kristalvlak.
Er was een verschuiving naar rechts in diffractiepieken met de toename van Ψ (0° tot 45°). Dit toont verder een geleidelijke afname van de kristalvlakafstand en dat er een drukspanning op de film is.
In 2D-perovskietrijke gebieden, PDMA-films tonen een linkse verschuiving gevolgd door een toename in Ψ-waarden. Er was een lichte afwijking van de lineaire fittingrichting in de trend van variatie. Dit suggereert een ongelijke verdeling van 2D-perovskietfasen die een negatieve invloed heeft op de stabiliteit en prestaties van het apparaat. Integendeel, in CDMA-films, verwaarloosbare verplaatsing waarbij een toename van Ψ in beide regio's duidelijk zichtbaar was.
Resultaten waren consistent na het berekenen van restspanning via Williamson-Hall-plots. Dit suggereert dat DJ-perovskiet vrijwel restspanningsvrij is en dat deze kwaliteit bijdraagt aan de stabiliteit ervan.
Na een maand opslag werd de zwarte fase van de film volledig omgezet en afgebroken in een brede bandgapfase. Terwijl in CDMA-films, na 100 dagen opslag, opmerkelijk vochtstabiliteit zonder onzuiverheidsdiffractiepieken werd opgemerkt.
Bovendien werd de waterbestendigheid van de films onderzocht door het meten van de watercontacthoeken op het filmoppervlak. CDMA vertoont een grote watercontacthoek (51°) en PDMA heeft kleinere hoeken (41°). Dit duidt op een hoge waterbestendigheid van CDMA-perovskietfilms. De dynamische contacthoekcurven die in de onderstaande afbeelding worden weergegeven, bevestigen de uitstekende waterbestendigheid van CDMA-perovskietfilms.
Conclusie
Als resultaat ontdekten onderzoekers dat het opnemen van flexibele organische kationen in de tussenlaagverplaatsing de structurele stabiliteit van de DJ-perovskietconfiguratie kan verbeteren. Op basis hiervan ontwierpen onderzoekers een reeks tussenlaagverplaatsings-DJ-perovskieten. Verder werden de materialen toegepast op het blade-coatingproces. Hierna werd een hogere efficiëntie en stabiliteit bereikt. Bovendien was er in verouderingstesten ook minimale degradatie in het apparaat.
Al met al concluderen de onderzoekers dat de nieuw ontwikkelde serie het potentieel heeft om stabiele 2D-perovskieten te construeren die voor verschillende toepassingen gebruikt kunnen worden.
