Oprócz wydajności, stabilność od dawna stanowi problem dla perowskitowych ogniw fotowoltaicznych i ich praktycznych zastosowań. Do tej pory takie stabilne materiały do fotowoltaiki i dane na ich temat są niewystarczające, a naukowcy próbują różnych materiałów, aby uzyskać lepszy wgląd. W tym badaniu badawczym testowane są ultrastabilne i wydajne ogniwa słoneczne perowskitowe Dion-Jacobson do zastosowań fotowoltaicznych.
Zespół pomyślnie zaprojektował ogniwa słoneczne z powłoką ostrza, wykorzystując technologię skalowalną dla perowskitów Dion-Jacobsona (DJ), które wykazano wydajność konwersji energii na poziomie około 19.11% w różnych warunkach środowiskowych.
Cel badania – Przeprowadzić systematyczne badania kluczowych czynników stabilności w materiałach DJ. Znaleźć wytyczne dotyczące projektowania stabilnych perowskitów DJ dla stabilizowanych i wydajnych skalowalnych ogniw słonecznych.
Wydajność ultrastabilnych i wydajnych ogniw słonecznych z perowskitu Dion-Jacobsona
Perowskity 2D są preferowane od perowskitów 3D ze względu na ich pożądane właściwości fotofizyczne i strukturalne. Perowskit typu DJ z ditopowymi kationami diamonowymi wzmacnia połączenie między warstwami nieorganicznymi i zwiększa sztywność struktury. To dodatkowo zwiększa jej stabilność. Różne badania Badania dotyczące perowskitów Ruddlesdena-Poppera (RP) i Dion-Jacobsona (DJ) pokazują, że te drugie są mniej stabilne w środowisku atmosferycznym.
Na przykład, w ciągu kilku godzin zaobserwowano słabą stabilność wilgoci w perowskitach DJ na bazie 1,4-fenylenodimetanoamoniowego i m-fenylenodiamoniowego.
Zgodnie z analizą strukturalną materiały te mają unikalna konfiguracja kwantowa i studni przemieszczenia międzywarstwowego, co odróżnia je od innych perowskitów DJ. Prowadzi to do mniejszych odstępów między warstwami i zoptymalizowanego transportu ładunku oraz integralności strukturalnej w warstwie międzywarstwowej.
W przypadku kationów międzywarstwowych stosowanie cykloalkilowych kationów organicznych zachowuje elektroujemność i elastyczność cząsteczek. Jest to również korzystne w porównaniu z kationami organicznymi o łańcuchu alkilowym i arylo-organicznymiW tym podejściu naprężenia sieciowe są skutecznie minimalizowane, co ostatecznie prowadzi do ogólnej stabilności strukturalnej.
Najważniejsze
- Wprowadzenie nowej serii DJ (CDMA 1, 4-cykloheksanodimetanamonu, n≥1) (MA)n-1Pbn3n+1 do stabilnych i wydajnych ogniw słonecznych.
- Te niezamknięte w osłonie ogniwa zachowały 92% swojej wydajności przez ponad 4000 godzin w warunkach wilgotności względnej (RH) wynoszącej ok. 90%.
- Ogniwa te wykazują się funkcjonalnością i stabilnością termiczną w temperaturze 85° C.
- Brak utraty wydajności po 5000-godzinnym leczeniu.
- Brak utraty wydajności po pracy w temperaturze 45°C przy maksymalnym punkcie mocy (MPPT) przez ponad 6000 godzin przy ciągłym świetle (100 mW cm-2).
Proces badawczy
Skalowalna technika osadzania powłok łopatkowych została wykorzystana do zademonstrowania potencjału perowskitów DJ w przypadku ogniw słonecznych na dużą skalę. Referencyjne ogniwa słoneczne wykorzystywały nominalny perowskit DJ n=5 PDMA. Są one znane ze zwiększania stabilności urządzenia i mają podobne organiczne konfiguracje cząsteczkowe.
| Właściwości komórek | Urządzenie referencyjne | Urządzenie nominalne n = 5 ogniw słonecznych perowskitowych na bazie CDMA |
| PCE | 14.87% | 19.11% |
| Napięcie obwodu otwartego (VOC) | 1.06 V | 1.16 V |
| Gęstość prądu zwarciowego (JSC) | 18.32 miliamperomierza cm−2 | 20.41 miliamperomierza cm−2 |
| Współczynnik wypełnienia | 76.46% | 80.56% |
najwyższą wydajnością dla powłok łopatkowych perowskitów 2D jest PCE CDMA, zgodnie z badaczami. Poniższy rysunek przedstawia krzywe gęstości prądu i napięcia (JV) ogniw słonecznych DJ.
Zewnętrzna wydajność kwantowa (EQE)
Naukowcy zmierzyli gęstość prądu zwarciowego (JSC) urządzenia za pomocą EQE. Urządzenie PDMA ma niższą EQE niż CDMA. W obszarze absorpcji światła widzialnego, JSC PDMA wynosiło 17.57, a CDMA 19.58 mA cm-2Wartości te odpowiadają zmierzonym wartościom JSC pod stymulatorem słonecznym.
Stabilność ogniw słonecznych w różnych warunkach
Ponadto naukowcy badali stabilność tych komórek w warunkach stresu cieplnego, świetlnego i wilgoci.
Lekkie naprężenie
Stabilność działania została sprawdzona w komorze rękawicowej z atmosferą azotu, przy użyciu śledzenia MPPT pod symulowaną 1-słoneczną białą diodą LED (dioda elektroluminescencyjna). Test przeprowadzono w temperaturze około 45° C przez ponad 6000 godzin starzenia bez tendencji spadkowej.
- PDMA – PCE spadło o około 30%.
- CDMA – Nieznaczne wahania wokół początkowej wydajności.
Ciepło
Stabilność termiczną ogniw słonecznych sprawdzono na płycie grzewczej w temperaturze 85° C.
- PDMA – 50% spadek początkowej wydajności.
- CDMA – Niewielka wydajność nawet po 5000 godzin.
Potwierdza to wyższą tolerancję termiczną ogniw perowskitowych CDMA.
Wilgoć
Niezamknięte ogniwa słoneczne przechowywano w komorze o stałej temperaturze i wilgotności wynoszącej około ~90% RH i temperaturze ~22° C. Powoduje to następujące efekty w przypadku obu urządzeń.
- PDMA – Gwałtowny spadek PCE do zera po 500 godzinach starzenia.
- CDMA – Wykazuje około 92% początkowej sprawności po 4394 godzinach starzenia.
Porównując stare urządzenia, odkryliśmy, że aktywna warstwa urządzeń opartych na PDMA stała się bezbarwna, podczas gdy urządzenie oparte na CDMA nie wykazuje widocznych przebarwień. Potwierdza to, że perowskity CDMA DJ mają wysoką tolerancję na wilgoć. Zgodnie ze skonsolidowanym obrazem pokazanym poniżej, seria CDMA jest najlepsza między ogniwami słonecznymi perowskitowymi 2D i 3D, według badaczy.
Naukowcy z Uniwersytetu Soochow strategicznie zwiększają wydajność organicznych ogniw słonecznych.
Charakterystyka urządzenia
Charakterystyka urządzenia
Poniższy rysunek przedstawia rozkład statystyczny obliczonego współczynnika histerezy. Został on zmierzony na podstawie PCE ogniw słonecznych PDMA i CDMA. Wskazuje to na stosunkowo niższą i stabilną rozłożoną histerezę w CDMA, co może sprzyjać wytwarzaniu stabilnych i skalowalnych ogniw słonecznych do praktycznych zastosowań.
Charakterystyka filmów perowskitowych
Naukowcy wykorzystali skaningową mikroskopię elektronową (SEM) z widokiem z góry do badania morfologii warstw perowskitowych.
Zgodnie z obserwacją, było równomierny rozkład ziarna w PDMA filmy perowskitowe. Podczas gdy CDMA ma wyraźne powiększenie rozmiarów ziaren wraz z kilkoma małymi waflami 2D pokrywającymi odpowiadające granice ziaren. To prawdopodobnie obejmuje samopasywację interfejsu w celu zapewnienia stabilności. Ponadto pomaga to umożliwić widma absorpcji ultrafioletowo-widzialnej (UV-Vis) i pomiary XRD powłoki łopatki.
Folie CDMA mają stosunkowo węższą szerokość całkowitą w połowie maksimum (FWHM) wraz z silniejszą intensywnością pików dyfrakcyjnych. Sugeruje to poprawioną krystaliczność i powiększone rozmiary ziaren zgodnie z Równanie Scherrera.
Zgodnie ze widmami absorpcji UV-Vis, obie folie perowskitowe DJ mają rozkład faz 2D. Jednak CDMA ma wysoką intensywność, co sugeruje obfity rozkład faz 2D, co jest korzystne dla absorpcji fal krótkich i stabilności folii.
Obserwacja Grazing Incission Wide Angle X-ray scattering (GIWAXS) pokazuje, że CDMA ma stosunkowo silne i dyskretne plamy Bragga. Wskazuje to na lepszą krystalizację, która sprzyja transportowi ładunku.
Badania naukowców HKUST dowodzą, usunięcie wklęsłości poprawia stabilność folii perowskitowych
Charakterystyka odkształcenia i stabilności z filmów DJ Perovskite
Wybrani badacze 2 głębokości w celu zbadania odkształcenia resztkowego w obu urządzeniach zgodnie z rozkładem faz przedstawionym przez charakterystykę TA. W materiale zaobserwowano powierzchnię charakteryzującą się fazami 3D i wysoką koncentracją perowskitów 2D w głębszym regionie. Zgodnie z poniższym obrazem, padający promienie rentgenowskie dyfrakcja (GIXRD) folii perowskitowych PDMA była względna w stosunku do płaszczyzny krystalicznej 310.
To było przesunięcie w prawo pików dyfrakcyjnych ze wzrostem Ψ (0° do 45°). To dodatkowo pokazuje stopniowe zmniejszanie się odległości płaszczyzny kryształu i to, że na filmie występuje odkształcenie ściskające.
W regionach 2D bogatych w perowskity, Filmy PDMA pokazują odchylenie w lewo przesunięcie, po którym następuje wzrost wartości Ψ. Wystąpiło niewielkie odchylenie od liniowego kierunku dopasowania w trendzie zmienności. Sugeruje to nierównomierny rozkład faz perowskitu 2D, co negatywnie wpływa na stabilność i wydajność urządzenia. Wręcz przeciwnie, w Filmy CDMA, nieznaczne przesunięcie ze wzrostem Ψ w obu regionach było widoczne.
Wyniki były spójne po obliczeniu odkształcenia resztkowego za pomocą wykresów Williamsona-Halla. Sugeruje to, że perowskit DJ jest prawie wolny od odkształcenia resztkowego, a ta cecha przyczynia się do jego stabilności.
Po przechowywaniu przez miesiąc, czarna faza filmu całkowicie przekształciła się i rozłożyła na fazę o szerokiej przerwie energetycznej. Podczas gdy w filmach CDMA, po 100 dniach przechowywania, niezwykłe zauważono stabilność wilgoci bez pików dyfrakcyjnych zanieczyszczeń.
Dodatkowo, odporność folii na wodę została zbadana poprzez pomiar kątów kontaktu wody z powierzchnią folii. CDMA wykazuje duży kąt zwilżania wodą (51°) a PDMA ma mniejsze kąty (41°). Wskazuje to na wysoką odporność na wodę folii perowskitowych CDMA. Dynamiczne krzywe kąta kontaktu pokazane na poniższym obrazku potwierdzają doskonałą odporność folii perowskitowych CDMA na zalewanie wodą.
Wniosek
W rezultacie badacze odkryli, że włączenie elastycznych kationów organicznych w przemieszczeniu międzywarstwowym może poprawić stabilność strukturalną konfiguracji perowskitu DJ. Na tej podstawie badacze zaprojektowali serię perowskitów DJ z przemieszczeniem międzywarstwowym. Ponadto materiały zastosowano w procesie powlekania ostrza. Po tym uzyskano wyższą wydajność i stabilność. Ponadto w testach starzenia wystąpiła również minimalna degradacja urządzenia.
Podsumowując, badacze doszli do wniosku, że nowo opracowana seria ma potencjał do budowy stabilnych perowskitów 2D, które mogą znaleźć zastosowanie w różnych dziedzinach.
