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.
Zespołowi udało się zaprojektować ogniwa słoneczne z powłoką ostrza, wykorzystujące skalowalną technologię dla perowskitów Dion-Jacobsona (DJ), które wykazały wydajność konwersji energii rzędu 19.11% w różnych warunkach środowiskowych.
Cel badania – Przeprowadzenie systematycznych badań kluczowych czynników stabilności w materiałach DJ. Znalezienie wytycznych do 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 w stosunku do perowskitów 3D ze względu na ich pożądane właściwości fotofizyczne i strukturalne. Perowskit typu DJ z ditopowymi kationami diamoniowymi wzmacnia połączenia między warstwami nieorganicznymi i zwiększa sztywność struktury. To dodatkowo zwiększa jej stabilność. Różne badania perowskitów Ruddlesdena-Poppera (RP) i Dion-Jacobsona (DJ) pokazują, że te ostatnie są mniej stabilne w środowisku atmosferycznym.
Na przykład w przypadku perowskitów DJ na bazie 1,4-fenylenodimetanoamoniowych i m-fenylenodiamoniowych zaobserwowano słabą stabilność wilgoci w ciągu kilku godzin.
Zgodnie z analizą strukturalną, materiały te charakteryzują się unikalną konfiguracją kwantów i studni międzywarstwowych , co odróżnia je od innych perowskitów DJ. Prowadzi to do mniejszych odstępów międzywarstwowych oraz zoptymalizowanego transportu ładunku i integralności strukturalnej w warstwie międzywarstwowej.
W przypadku kationów międzywarstwowych, zastosowanie cykloalkilowych kationów organicznych pozwala zachować elektroujemność i elastyczność cząsteczek. Jest to również korzystne w porównaniu z kationami alkilowymi i arylowymi . W tym podejściu naprężenia sieci krystalicznej 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% |
Według naukowców, najwyższą wydajność perowskitów 2D z powłoką łopatkową osiąga PCE w CDMA. Poniższy rysunek przedstawia krzywe gęstości prądu i napięcia (JV) dla 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-2 . Wartości te odpowiadały zmierzonej gęstości prądu zwarciowego (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, w warstwach perowskitu PDMA występował równomierny rozkład ziaren . Natomiast w warstwie CDMA obserwuje się wyraźne powiększenie rozmiarów ziaren wraz z kilkoma małymi, dwuwymiarowymi płytkami pokrywającymi odpowiadające im granice ziaren. Prawdopodobnie wiąże się to z samopasywacją interfejsu w celu zapewnienia stabilności. Dodatkowo, pomaga to w uzyskaniu widm absorpcyjnych w zakresie ultrafioletu i światła widzialnego (UV-Vis) oraz pomiarów XRD powłoki łopatki.
Warstwy CDMA charakteryzują się stosunkowo węższą szerokością całkowitą w połowie maksimum (FWHM) oraz większą intensywnością pików dyfrakcyjnych. Sugeruje to lepszą krystaliczność i większe rozmiary ziaren, zgodnie z równaniem 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 wykazały, że usunięcie wklęsłości poprawia stabilność warstw perowskitowych
Charakterystyka odkształcenia i stabilności z filmów DJ Perovskite
Naukowcy wybrali 2 głębokości, aby zbadać naprężenia resztkowe w obu urządzeniach, zgodnie z rozkładem faz przedstawionym przez charakterystykę TA. W materiale zaobserwowano obszar powierzchniowy charakteryzujący się fazami 3D i wysoką koncentracją perowskitów 2D w głębszym obszarze. Zgodnie z poniższym obrazem, padająca dyfrakcja rentgenowska (GIXRD) folii perowskitowych PDMA była względna względem płaszczyzny krystalicznej 310.
Wraz ze wzrostem Ψ zaobserwowano przesunięcie pików dyfrakcyjnych w prawo (od 0° do 45°). Świadczy to o stopniowym zmniejszaniu się odległości między płaszczyznami kryształu i o występowaniu naprężeń ściskających w warstwie.
W obszarach bogatych w perowskity 2D, warstwy PDMA wykazują przesunięcie w lewo, po którym następuje wzrost wartości Ψ. Zaobserwowano niewielkie odchylenie od liniowego kierunku dopasowania w trendzie zmienności. Sugeruje to nierównomierny rozkład faz perowskitu 2D, co negatywnie wpływa na stabilność i wydajność urządzenia. Z kolei w warstwach CDMA zaobserwowano pomijalne przesunięcie wraz ze wzrostem wartości Ψ w obu obszarach.
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 miesiącu przechowywania, czarna faza filmu uległa całkowitej przemianie i rozpadowi do fazy o szerokiej przerwie energetycznej. Natomiast w filmach CDMA, po 100 dniach przechowywania, zaobserwowano niezwykłą stabilność wilgoci bez pików dyfrakcyjnych zanieczyszczeń.
Dodatkowo, wodoodporność folii zbadano poprzez pomiar kątów zwilżania powierzchni folii. CDMA charakteryzuje się dużym kątem zwilżania (51°) , a PDMA mniejszym (41°) . Wskazuje to na wysoką wodoodporność folii perowskitowych CDMA. Dynamiczne krzywe kąta zwilżania pokazane na poniższym rysunku potwierdzają doskonałą odporność folii perowskitowych CDMA na zawilgocenie.
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.
