Sprawność perowskitowych ogniw słonecznych wzrosła do około 26%. Jednak produkcja na dużą skalę wciąż stanowi wyzwanie ze względu na tradycyjne metody, takie jak powlekanie wirowe. Aby temu zaradzić, naukowcy z Uniwersytetu Tor Vergata w Rzymie udoskonalili proces powlekania łopat, aby uzyskać moduły fotowoltaiczne o dużej powierzchni o sprawności 12.6%. W tym celu wykorzystali warstwę transportującą dziury z tlenku niklu w powietrzu oraz nietoksyczny rozpuszczalnik.
Cel badania – przedstawienie postępów w produkcji ogniw fotowoltaicznych na dużą skalę, zapewniających długoterminową stabilność i wydajność.
12.6% wydajnych modułów fotowoltaicznych o dużej powierzchni
Aby zwiększyć jednorodność powłoki perowskitowej, badacze wprowadzili między nią samoorganizujące się monowarstwy. W rezultacie moduły o powierzchni czynnej 110 cm² osiągnęły sprawność 12.6% . Co więcej, po 1,000 godzinach w temperaturze 85°C w powietrzu zachowały 84% swojej początkowej sprawności.
Do produkcji ogniw słonecznych z perowskitu (PSC) stosuje się dwie główne architektury, w zależności od kolejności materiałów transportujących ładunek:
- Normalny (szczypanie)
- Odwrócony (pin)
W tym przypadku odwrócone ogniwa PSC charakteryzują się lepszą stabilnością i zmniejszoną histerezą. To sprawia, że nadają się do potencjalnej komercjalizacji. Do produkcji kompaktowego tlenku niklu w wielkopowierzchniowych ogniwach fotowoltaicznych stosuje się różne metody osadzania, które dzielą się na metody drukowalne i niedrukowalne.
Pomimo że techniki nanoszenia metodą druku oferują różne korzyści, istnieje znaczna różnica między małoskalowymi a wielkoskalowymi modułami PSC opartymi na NiOx. Na przykład, po przejściu na moduły PSC nanoszone w powietrzu atmosferycznym, sprawność spadła do 20.7% w przypadku modułów małoskalowych i 10.34% w przypadku modułów o powierzchni czynnej 3.7 cm².
Procedury przyjęte w badaniu
Naukowcy opracowali procedurę drukowania NiOx na podłożach o wymiarach 15 cm x 15 cm bez etapu powlekania wirowego. Moduły o powierzchni aktywnej 110 cm2 zostały wykonane przy użyciu ostrza rakli NiOx/MeO-2PACz/perowskit i termicznego odparowania. Ponadto, dzięki optymalizacji tuszu NiOx i dodaniu samoorganizującej się monowarstwy, najlepszy moduł osiągnął około 12.6% PCE.
W rezultacie badacze zaobserwowali, że moduły te przewyższają poprzednie moduły fotowoltaiczne o dużej powierzchni pod względem stabilności, wydajności i efektywności.
Wyniki i dyskusja: NiOx Optymalizacja grubości i jednorodności filmu
Po osadzeniu warstwy NiOx metodą raklowania roztworem NiCl2·6H2O na podłożach ITO w warunkach otoczenia, warstwy te były następnie aplikowane w temperaturze 300°C, aby wspomóc rozkład i utlenianie . Następnie do utworzenia warstwy NiOx użyto tlenu atmosferycznego.
Naukowcy osadzili 4 stężenia na podłożach szklanych/ITO, co stanowi roztwór odniesienia o stężeniu 0.15 M, wraz z 0.075 M (rozcieńczenie 1:1), 0.050 M (rozcieńczenie 1:2) i 0.037 M (rozcieńczenie 1:3). Grubość filmu mierzona za pomocą elipsometrii wynosiła ponad 140 na 140 mm.
Różnice w grubości filmu wynikają z nierównomiernego nanoszenia rakli, co uległo poprawie przy wyższych proporcjach rozpuszczalnika. Jednak grubość filmu i lepkość zmniejszyły się wraz z rozcieńczeniem. Tak więc grubość zmniejszyła się wraz ze zmniejszaniem się stężenia prekursora, co dało: 42.2 nm (0.075 M), 40.0 nm (0.05 M) i 36.2 nm (0.037 M).
Na poniższym rysunku przedstawiono wyniki spektroskopii fotoelektronów rentgenowskich (XPS) i reflektometrii rentgenowskiej (XRR). Oba testy zostały użyte do oceny utleniania NiOx.
- Widma XPS pokazują, że w zakresie 850-860 eV 4 piki odpowiadały Ni, NiO (Ni²⁺), NiOH (Ni²⁺) i Ni2O3 (Ni³⁺).
- Wskazane energie wiązania około 852.0, 853.5, 855 i 856 eV zostały związane przez dopasowania Gaussa. Jest to zgodne z wartościami literaturowymi.
- Dominujący pik NiO wskazuje na silnie utlenioną warstwę. Uważa się, że nadają się do zastosowań takich jak warstwy transportu dziur w PSC.
- Przy stężeniach 1:1 pozostaje on widoczny, ale zauważono również wzrost udziału Ni i Ni203OXNUMX. To dodatkowo sugeruje, że nastąpił spadek wydajności utleniania.
- Przy stężeniach 1:2 i lepszym utlenianiu z cieńszych warstw, wyższe stężenie Ni203OXNUMX wskazuje na więcej Ni³⁺.
- Dalsze rozcieńczenie do stężeń 1:3 wykazuje wzrost Ni203OXNUMX w stosunku do NiO. Sugeruje to nierównomierność grubości filmu i utleniania.
Ogólnie rzecz biorąc, badacze odkryli, że zmniejszone stężenie prekursora koreluje ze zwiększoną złożonością tlenku niklu i wyższymi stopniami utlenienia. Jednak niższy udział NiO zmniejsza się wraz z mniejszą ilością prekursora.
Dowiedz się więcej o dwustronnych ogniwach słonecznych z perowskitu opartych na technologii ETL przeznaczonych do urządzeń elastycznych: badanie symulacyjne
Wynik pomiaru XRR
Nie zauważono żadnych prążków Kiessiga, gdy pomiary XRR badały gęstość elektronów na podłożach osadzonych NiOx. Kąty krytyczne korelują z objętością rozpraszania, co pokazuje:
- Jednorodność dzięki niskiej dyspersji
- Heterogeniczność spowodowana dużą dyspersją
Zaobserwowano wzrost gęstości elektronów wraz ze zmniejszeniem stężenia prekursora. To wyraźnie wskazuje, że możliwe są gęstsze warstwy o większym rozcieńczeniu ze względu na lepsze utlenianie lub zagęszczanie podczas wyżarzania. Cieńsze warstwy wykazują poprawę wydajności ogniw słonecznych PV, ponieważ nadal wykazują ulepszone właściwości.
Komentarze
- Najbardziej jednorodna jest próbka odniesienia i osadzanie skoncentrowanego NiOx w stosunku 1:2.
- Przy stężeniu 1:3 zauważono mniej jednorodną powłokę.
- Chropowatość interfejsu lub powierzchni została oszacowana za pomocą współczynnika odbicia Fresnela. W przypadku próbki referencyjnej i stężenia 1:2 wynosiła ona około 4.5 (5) nm. Wartość ta pozostaje stała dla wszystkich wzorów.
- Większą dyspersję chropowatości zauważono w próbkach pobranych z płytek o stężeniach 1:1 i 1:3. Wartości dla profilu XRR 1:1 mieszczą się w zakresie od 2.5 (5) nm do około 4.5 (5) nm. Dla profilu XRR 1:3 wynosi ona od około 4.5 (5) nm do około 7.0 (5) nm.
Inżynieria interfejsów i morfologia filmu perowskitowego
W niniejszym badaniu perowskitowych modułów fotowoltaicznych skupiono się na osadzaniu warstw perowskitu, opierając się na wcześniejszych pracach nad dwuetapową metodą powlekania łopatek z wykorzystaniem nietoksycznych rozpuszczalników. Opracowaliśmy perowskit dwukationowy (Cs0.15FA0.85PbI3−xBrx) dzięki zoptymalizowanym parametrom i dodatkom w celu poprawy jakości powłoki. Dwuetapowe osadzanie obejmuje użycie PbI2-(FAI)0.3-(CsI)0.15 w DMSO, a następnie FAI/FABr w alkoholu izopropylowym, z zaproponowanymi czterema metodami suszenia. W niniejszym badaniu przetestowano te techniki na sztywnych podłożach, uzyskując wysokiej jakości powłoki na podłożach o wymiarach 15 cm × 15 cm, torując drogę do uniwersalnej, zielonej formulacji perowskitu dla różnorodnych urządzeń i podłoży.
Dzięki obrazom SEM stało się jasne, że pewne defekty na folii PV zostały spowodowane przez niezoptymalizowaną warstwę NiOx (0.15 M). Defekty obejmują dziurki i widoczne paski, które były spowodowane głównie nierównomiernym osadzaniem. Z drugiej strony, mniej defektów zaobserwowano w zoptymalizowanej warstwie NiOx (0.05 M), takich jak mniejsze cząsteczki i mniej dziurek.
Inne badania wskazują na następujące fakty:
- Jednakże wyniki w zoptymalizowanej warstwie były lepsze niż wcześniej, ale występowanie dziurek nadal występowało. Wskazuje to na poważne wyzwanie związane z problemy z przyczepnością między folią NiOx a tuszami prekursorowymi PV.
- UV-ozon i konwencjonalna obróbka powierzchni plazmą mieć negatywny wpływ na film NiOx. Pogarsza to problemy z interfejsem, takie jak tworzenie się nadmiaru Pbl2. Może to działać jak bariera ekstrakcji dziur, zmniejszanie napięcia obwodu otwartego urządzenia.
- Ponadto, niska przewodność NiO może mieć negatywny wpływ na wydajność ogniw fotowoltaicznych z perowskitu.
Aby uniknąć wszystkich tych problemów i poprawić opisaną powyżej sytuację, naukowcy zastosowali samoorganizującą się monowarstwę (SAM) MeO-2PACz na styku HTL/perowskit.
W innej próbie naukowcy odkryli, że ultrastabilne perowskity 2D Dion-Jacobson osiągają sprawność na poziomie 19.11%.
Komentarze
- Obraz SEM warstwy perowskitowej potwierdza skuteczność zastosowanych metod: warstwa SAM.
- Warstwy perowskitowe były bardzo jednolite i nie było w nich żadnych dziurek.
- Mapa grubości elipsometryczna pokazuje, że średnia grubość uzyskanej warstwy wyniosła 570 µm, co również potwierdza jednorodność.
- Ze względu na proces rakli, występuje gradient o początkowej grubości 700 nm. Ponadto, pod koniec powłoki, występuje niewielki spadek.
- Jednakże jednorodność została osiągnięta dzięki zastosowaniu warstwy SAM, a problemy z przyczepnością zostały rozwiązane w ten sam sposób. Rezultatem były stabilne i gotowe do zastosowania przemysłowego moduły solarne z perowskitu.
Moduły i długoterminowa stabilność 12.6% wydajnych modułów fotowoltaicznych o dużej powierzchni
Na koniec, udany montaż modułu solarnego perowskitowego został wykonany poprzez odparowanie C60/BCP jako warstwy transportu elektronów (ETL). Następnie wykonano grawerowanie laserowe P2 i późniejsze odparowanie elektrody miedzianej. Następnie proces zakończono grawerowaniem P3. Charakterystyka modułu PV z 22 ogniwami połączonymi szeregowo jest następująca:
- Wydajność – 12.6%
- Prąd zwarciowy (ISC) – 98.13 mA
- Współczynnik wypełnienia – 63.49%
- Napięcie w obwodzie otwartym (VOC) – 22.3 V
- Wskaźnik histerezy bliski jedności – 1.02
Jednakże, niezwykła spójność w wydajności między skanowaniem pomiarów do przodu i do tyłu jest wykazana przez indeks histerezy bliski jedności. Podkreśla to niezawodną pracę modułu perowskitowego.
Wniosek
Podsumowując, badania te zwiększają skalowalność 12.6% wydajnych modułów fotowoltaicznych o dużej powierzchni do zastosowań komercyjnych. Dzięki zastosowaniu ostrza rakli możliwe stało się stworzenie modułu PSC o dużej powierzchni z NiOx HTL. Końcowym rezultatem była nietoksyczna formuła perowskitu. I wreszcie, PSC o zwiększonej stabilności i wydajności wykazują swój potencjał do przyszłej optymalizacji i zastosowań komercyjnych.
