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 blade-coating ontworpen met schaalbare technologie voor Dion-Jacobson (DJ) perovskieten, die een energieomzettingsrendement van ongeveer 19.11% lieten zien onder verschillende omgevingsomstandigheden.
Doel van de studie – Systematisch onderzoek uitvoeren naar de belangrijkste stabiliteitsfactoren in DJ-materialen. Richtlijnen 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 gunstige fotofysische en inherente structurele eigenschappen. DJ-type perovskieten met ditopische diammoniumkationen versterken de verbinding tussen de anorganische lagen en verhogen de stijfheid van de structuur. Dit verbetert de stabiliteit verder. Verschillende studies naar Ruddlesden-Popper (RP) en Dion-Jacobson (DJ) perovskieten tonen aan dat de laatstgenoemde minder stabiel is in de atmosfeer.
Zo werd bijvoorbeeld binnen enkele uren een slechte vochtstabiliteit waargenomen bij de op 1,4-fenyleendimethanammonium en m-fenyleendiammonium gebaseerde DJ-perovskieten.
Volgens de structurele analyse hebben deze materialen een unieke kwantum- en putconfiguratie met interlaagverplaatsing , waardoor ze zich onderscheiden van andere DJ-perovskieten. Dit leidt tot een kleinere interlaagafstand en geoptimaliseerd ladingstransport en structurele integriteit in de tussenlaag.
Voor interlaagkationen zorgt het gebruik van cycloalkyl-organische kationen ervoor dat de elektronegativiteit en flexibiliteit van de moleculen behouden blijven. Dit is ook een voordeel ten opzichte van alkylketen- en aryl-organische kationen . De roosterspanning wordt bij deze aanpak 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% |
Volgens de onderzoekers is de hoogste efficiëntie voor blade coating 2D-perovskieten de PCE van CDMA . De volgende afbeelding toont de stroomdichtheid-spanningscurves (JV-curves) van de DJ-zonnecellen.
Externe kwantumefficiëntie (EQE)
Onderzoekers hebben de kortsluitstroomdichtheid (JSC) van het apparaat met EQE gemeten. Het PDMA-apparaat heeft een lagere EQE dan het CDMA-apparaat. In het zichtbare lichtabsorptiegebied was de JSC van PDMA 17.57 mA cm⁻² en die van CDMA 19.58 mA cm⁻² . Deze waarden kwamen overeen met de gemeten JSC onder de zonnesimulator.
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.
Uit de waarnemingen bleek dat de korrelverdeling in de PDMA- perovskietfilms uniform was. Bij CDMA daarentegen was er een duidelijke toename van de korrelgrootte, met enkele kleine 2D-wafers die de corresponderende korrelgrenzen bedekten. Dit duidt mogelijk op zelfpassivering van het grensvlak om stabiliteit te garanderen. Bovendien maakt dit metingen van de UV-Vis-absorptiespectra en XRD-analyse van de coating mogelijk.
CDMA-films hebben een relatief smallere piekbreedte op halve hoogte (FWHM) en een sterkere intensiteit van de diffractiepieken. Dit duidt op een verbeterde kristalliniteit en grotere korrelgroottes volgens de vergelijking van Scherrer.
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.
Uit onderzoek van wetenschappers van HKUST blijkt dat het verwijderen van holtes de stabiliteit van perovskietfilms verbetert.
Karakterisering van spanning en stabiliteit van DJ Perovskite Films
Onderzoekers selecteerden twee dieptes om de resterende spanning in beide apparaten te onderzoeken op basis van de faseverdeling die door de TA-karakterisering werd aangetoond. In het materiaal werd een oppervlaktegebied met 3D-achtige fasen waargenomen, terwijl in een diepere laag een hoge concentratie 2D-perovskieten werd aangetroffen. Volgens de onderstaande afbeelding was de röntgendiffractie onder schuine invalshoek (GIXRD) van PDMA-perovskietfilms gerelateerd aan het 310-kristalvlak.
Bij een toename van Ψ (van 0° tot 45°) verschoven de diffractiepieken naar rechts . Dit duidt verder op een geleidelijke afname van de afstand tussen de kristalvlakken en op een drukkende spanning in de film.
In 2D-perovskietrijke gebieden vertonen PDMA-films een verschuiving naar links, gevolgd door een toename van de Ψ-waarden. Er was een lichte afwijking van de richting van de lineaire aanpassing in de variatietrend. Dit suggereert een ongelijke verdeling van 2D-perovskietfasen, wat een negatieve invloed heeft op de stabiliteit en prestaties van het apparaat. Daarentegen was in CDMA-films een verwaarloosbare verschuiving met een toename van Ψ in beide gebieden waarneembaar.
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 was de zwarte fase van de film volledig omgezet en ontleed in een fase met een brede bandgap. Bij CDMA-films werd daarentegen na 100 dagen opslag een opmerkelijke vochtbestendigheid zonder diffractiepieken van onzuiverheden waargenomen.
Daarnaast werd de waterbestendigheid van de films onderzocht door de watercontacthoeken op het filmoppervlak te meten. CDMA vertoont een grote watercontacthoek (51°) en PDMA een kleinere hoek (41°) . Dit duidt op een hoge waterbestendigheid van de CDMA-perovskietfilms. De dynamische contacthoekcurven in de onderstaande afbeelding bevestigen de uitstekende waterbestendigheid van de 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.
