Ogniwa słoneczne z perowskitu (PSC) mają wszechstronne zastosowania, co czyni je obiecującymi urządzeniami do codziennego użytku. W tym badaniu naukowcy optymalizują dwustronne ogniwa słoneczne z perowskitu oparte na ETL dla elastycznych urządzeń za pomocą symulacji. Proces odbywa się poprzez wybór odpowiedniej przedniej przezroczystej elektrody (FTE), warstwy transportu dziur (HTL) i tylnej przezroczystej elektrody (RTE).
Dwustronne ogniwa słoneczne z perowskitu na bazie ETL do urządzeń elastycznych
Zaobserwowano, że wydajność konwersji energii (PCE) ogniwa perowskitowego uległa znacznej poprawie . Stało się to możliwe dzięki strukturze przypominającej studnię z niewielkim przesunięciem pasma przewodnictwa (CBO) na styku FTE/perowskit. Jednakże zaobserwowano spadek wydajności wraz z przesunięciem pasma walencyjnego HTL w górę.
Najważniejsze
- Zoptymalizowanie bifacjalnego perowskitu bez ETL w celu uzyskania elastycznych urządzeń.
- Minimalna wartość CBO na interfejsie perowskitu może zwiększyć wydajność urządzenia.
- Przerwa energetyczna i powinowactwo elektronowe RTE mają duży wpływ na wydajność urządzenia.
- Optymalna wartość perowskitu to 1.4 eV.
- W obu warunkach oświetlenia urządzenie wskazuje PCE >27%.
Sprawność konwersji energii (PCE) ogniw słonecznych z perowskitu wzrosła z 3.8% do 26.1% w ciągu dekady . W związku z tym organiczno-nieorganiczne ogniwa słoneczne z perowskitu metalohalogenkowego zyskały ostatnio na popularności.
Jednak rozwój elastycznych PSC jest opóźniony ze względu na wysoką temperaturę spiekania warstwy transportującej elektrony (ETL). W odwróconych PSC naukowcy wykorzystywali głównie ester metylowy kwasu [6,6]-fenylo-C61-masłowego (PCBM) jako ETL, aby zwiększyć ich wydajność. Ponieważ PCBM są drogie, ich włączenie do urządzenia zwiększa jego całkowity koszt.
Następnie naukowcy przetestowali PSC bez ETL , które są najbardziej obiecującymi i akceptowalnymi urządzeniami. To podejście charakteryzuje się prostą konfiguracją i eliminuje skomplikowane przygotowania, co skraca czas i zmniejsza zapotrzebowanie na energię.
Krótki fakt : Liu i wsp. opracowali pierwszą PCE mającą 13.5%.
Obecne ogniwa PCE mają sprawność rzędu 20-22%, ale nadal pozostają w tyle ze względu na nierównomierny transfer ładunku.
Powód : Brak stałego pola wbudowanego, gdy nie ma ETL.
Rozważanie różnych podejść
Naukowcy rozważali użycie koncentratorów, materiałów PV z 2 lub więcej odrębnymi przerwami pasmowymi w układzie tandemowym i podejście bifacjalne. Wszystkie te rozwiązania mają na celu poprawę wydajności urządzenia i zachęcenie do powszechnego przyjęcia tej technologii. Ponieważ konstrukcja bifacjalna jest prosta i niedroga, zwiększa ona wydajność konwersji mocy przy nieco wyższych kosztach poprzez dodanie tylnej przezroczystej elektrody.
Światło może docierać do systemu z obu stron dzięki zainstalowaniu przezroczystych elektrod. Dzięki temu dwustronne panele słoneczne mogą potencjalnie osiągnąć o ponad 30% wyższy współczynnik PCE w porównaniu z panelami jednostronnymi. Należy jednak pamiętać, że na to wpływają różne czynniki, takie jak kąt nachylenia, współczynnik odbicia światła od powierzchni gruntu, wysokość nad poziomem gruntu itp. Co więcej, połączenie zalet dwustronnych i elastycznych ogniw słonecznych może skutkować wydajnymi i wszechstronnymi urządzeniami do pozyskiwania energii słonecznej.
Zastosowania giętkich, dwustronnych PSC bez ETL :
- Składana osłona na sklepy
- Osłony okienne składane
- Na żaglach
- Albo parasol na plaży
Możliwe jest przetwarzanie elastycznych PSC metodą role to role i mogą być one kapsułkowane za pomocą niedrogich elastycznych warstw. Chociaż elastyczne bifacjalne PSC są nową technologią, wciąż w fazie badań i rozwoju, poczyniły znaczące postępy.
NREL w ramach inicjatywy opracowuje łopatki turbin wiatrowych z żywicy nadającej się do recyklingu.
Dzięki symulacji badacze mogli łatwo dążyć do uzyskania pożądanych parametrów lub właściwości tylnej przezroczystej elektrody (RTE). Pozwala im to osiągnąć optymalną wydajność urządzenia. W obecnej pracy symulacyjnej badacze skopiowali bifacial bez ETL zgodnie z poniższym diagramem.
Obserwując elastyczne ogniwa słoneczne z różnymi elektrodami, warstwami defektów międzyfazowych i warstwami transportującymi dziury, naukowcy odkryli, że wyrównanie pasm i bariery potencjału poprawiają ogólną wydajność. Co więcej, osiągnęli sprawność >27% w różnych warunkach, optymalizując przerwę pasmową absorbera perowskitowego do 1.4 eV.
Struktura urządzenia i parametry symulacji Perowskit na bazie ETL
- Do symulacji proponowanego urządzenia naukowcy wykorzystali pakiet jednowymiarowego symulatora pojemności ogniw słonecznych SCAPS-1D (Solar Cell Capacitance Simulator).
- Ponadto, w celu zaprojektowania urządzenia bifacjalnego na podstawie sprawdzonego urządzenia, Au zastąpiono przezroczystą elektrodą wykonaną z warstwy kompozytowej Cu/Cu2O.
- Jako FTE zastosowano pasywowane FTO (PFTO).
Wyniki i dyskusja
Efekty działania przedniej przezroczystej elektrody (FTE)
W ogniwach PSC bez ETL, elektrody FTE powinny charakteryzować się wysoką przezroczystością i lepszym wyrównaniem pasma, co zapewnia efektywny transport ładunku. Naukowcy odkryli różne elektrody FTE, takie jak In2O3 domieszkowany cyrkonem (Zr:In2O3), ITO, ZnO domieszkowany aluminium (Al:ZnO) oraz pasywowane/modyfikowane FTO (PFTO). W niższych temperaturach osadzanie tych elektrod na elastycznym podłożu było łatwe.
Z poniższego diagramu pasmowego wynika, że CBO na interfejsie FTE, który jest bliski 0, wyciągnął wyższy PCE. Kierunek pola elektrycznego na ITO jest przeciwny do interfejsu HTL, co nie nadaje się do wydajnego transportu ładunku.
Uważa się to za potencjalną barierę dla elektronów płynących w kierunku FTE. Urządzenie o mniejszej wartości CBO wykazuje mniejszą rekombinację na interfejsie FTE zgodnie z profilem rekombinacji. Występuje wzrost powinowactwa elektronowego FTE przy ujemnej zmianie CBO na interfejsie FTE. Było to spowodowane różnicą powinowactwa elektronowego między sąsiednimi warstwami.
Wraz ze wzrostem grubości warstw FTE, PCE urządzenia zmniejsza się, gdy jest oświetlane od strony FTO. Jednak nie zaobserwowano żadnych istotnych zmian w przypadku oświetlenia tylnego.
KAUST ujawnia ogniwa tandemowe z krzemu perowskitowego o wydajności 33.7% i stabilności.
Wpływ warstwy transportu dziur (HTL)
W tym badaniu różne HTL, takie jak DM, Cul, Cu2O i CuSCN, zostały użyte w urządzeniu referencyjnym wydajności. Poniższy diagram pasma energetycznego pokazuje zmodyfikowane wyrównanie pasma na interfejsach perowskitu lub HTL i HTL/RTE. Po oświetleniu od tyłu rekombinacja w urządzeniach Cul i CuSCN pokazuje te same profile rekombinacji SRH. Istnieje większe prawdopodobieństwo bezpośredniej rekombinacji przy wyższych poziomach walencyjnych sąsiedniej warstwy.
Wpływ warstw defektów międzyfazowych
Podczas wyżarzania termicznego uwidaczniają się defekty interfejsu. Defekty te nasilają się, gdy interfejs nie zawiera wakatów tlenowych, niedopasowania sieci krystalicznej i składu stechiometrycznego. W badaniu omówiono 3 typy defektów interfejsu, wymienione poniżej :
- HTL/elektroda tylna: Powstaje w wyniku reakcji elektrody tylnej z HTL w obecności tlenu.
- TCO/perowskit: Defekt w tym interfejsie prowadzi do braku tlenu.
- Perowskit/HTL: Jakiekolwiek uszkodzenie prowadzi do niedopasowania sieci.
- W przypadku gęstości defektów mniejszej niż 10^16 cm−3 PCE urządzenia pozostaje takie samo. Wykazuje ono niższą szybkość rekombinacji w warstwie interfejsu.
- Przy stężeniu większym niż 10^16 cm−3 następuje zwiększenie szybkości rekombinacji, co zmniejsza wydajność urządzenia.
- Podobnie, wraz ze wzrostem grubości warstwy defektu interfejsu, następuje liniowy spadek PCE urządzenia. Prowadzi to do wzrostu szybkości rekombinacji w obszarze IDL.
Zjawisko to potwierdza wymagania dotyczące redukcji defektu w interfejsie PFTO/perowskit poprzez pasywację lub inną odpowiednią metodę przetwarzania. Najczęściej pasywacja powierzchni jest preferowana w celu modyfikacji morfologii powierzchni.
Wpływ tylnej przezroczystej elektrody (RTE)
Elektroda ta odgrywa ważną rolę w określaniu ogólnej wydajności dwustronnych ogniw słonecznych (PSC) . Dwa główne czynniki wpływające na wydajność dwustronnych ogniw słonecznych to powinowactwo elektronowe i przerwa energetyczna. Dwustronne ogniwa słoneczne (PSC) charakteryzują się niższym PCE w porównaniu z ich jednostronnymi odpowiednikami, co ma istotny wpływ na RTE. Wraz ze wzrostem wartości przerwy energetycznej RTE obserwuje się zmianę napięcia VBO z ujemnego na dodatnie.
W obu warunkach oświetlenia urządzenie wykazuje maksymalny PCE przy VBO wynoszący +0.29 eV (przerwa pasmowa ~2.4 eV). Gdy powinowactwo elektronowe wynosi 3.3 eV dla obu rodzajów oświetlenia i VBO wynoszącym +0.13 eV przy HTL/RTE, wydajność urządzenia ulega poprawie.
Wraz ze wzrostem powinowactwa elektronowego RTE, VBO pomiędzy HTL/RTE przesuwa się w kierunku dodatnim. Badanie pokazuje, że urządzenie oparte na NAN wykazuje wyższy PCE dla tylnego oświetlenia. Wskazuje to na zmniejszone natężenie pola elektrycznego w kierunku ujemnym w urządzeniach opartych na NAN na interfejsie HTL/RTE. Ponadto urządzenie PCE zwiększa się wraz ze wzrostem funkcji pracy i stają się one nasycone dla dużych funkcji pracy.
W innym badaniu zaprezentowano tandemowy moduł fotowoltaiczny z krzemu perowskitowego o sprawności 28% firmy PeroNova .
Optymalizacja warstwy perowskitowej
Jak omówiono powyżej, symulowaliśmy różne kombinacje urządzeń przy użyciu różnych FTE, HTL i RTE. Generowanie nośników ładunku maleje wraz ze wzrostem warstwy absorbującej perowskitu. Natomiast VOC wzrasta wraz ze wzrostem wbudowanego potencjału warstwy absorbującej. Urządzenie PCE zwiększa się do zoptymalizowanej przerwy energetycznej 1.4 eV, a inne są następujące:
- Oświetlenie przednie PCE 24.65%
- Oświetlenie tylne PCE 25.48%
Gęstość defektów perowskitu w warstwie absorbującej została zmniejszona z 8.0 × 10^14 cm−3 do 1.0 × 10^14 cm−3 . Prowadzi to do wzrostu współczynnika PCE urządzenia do 26.27% i 26.45% dla oświetlenia przedniego i tylnego.
Co więcej, po zoptymalizowaniu grubości warstwy absorbującej do 800 nm, a następnie zmniejszeniu gęstości defektów do 1.0 × 1014 cm−3 , współczynnik PCE urządzenia wzrasta do 26.88% (przy oświetleniu przednim) i 27.35% (przy oświetleniu tylnym).
wnioski
Zatem badacze doszli do wniosku, że wykorzystując pakiet symulacyjny, można zoptymalizować bifacialne PSC bez ETL. Badając wpływ różnych materiałów na wydajność urządzenia, zaobserwowano, że niektóre materiały poprawiają wydajność ze względu na swoje specyficzne właściwości. Ponadto, przerwa pasmowa, gęstość defektów i grubość są ważnymi czynnikami determinującymi warstwę absorbującą perowskitu. W ten sposób osiągnięto wydajność konwersji mocy wynoszącą ponad 27% przy zoptymalizowanej konfiguracji zarówno dla oświetlenia tylnego, jak i przedniego.
