As células solares de perovskita (PSCs) têm aplicações versáteis, tornando-as um dispositivo promissor para a vida diária. Neste estudo, os pesquisadores otimizam células solares de perovskita bifacial baseadas em ETL para dispositivos flexíveis por meio de simulação. O processo é feito selecionando o eletrodo transparente frontal (FTE), a camada de transporte de furos (HTL) e o eletrodo transparente traseiro (RTE) adequados.
Células solares de perovskita bifacial baseadas em ETL para dispositivos flexíveis
Foi observado que o a eficiência de conversão de energia (PCE) do dispositivo de célula de perovskita foi melhorada significativamente. Isso se tornou possível com uma estrutura semelhante a um poço com um pequeno deslocamento de banda de condução (CBO) na interface de FTE/perovskita. No entanto, a redução de desempenho foi notada com uma mudança para cima na banda de valência de HTL.
Destaques
- Para otimizar a perovskita bifacial livre de ETL para dispositivos flexíveis.
- O CBO mínimo na interface de perovskita pode melhorar o desempenho do dispositivo.
- A banda proibida e a afinidade eletrônica do RTE afetam muito o desempenho do dispositivo.
- 1.4 eV de perovskita é o otimizado.
- Para ambas as condições de iluminação, o dispositivo mostra PCE >27%.
A eficiência de conversão de energia (PCE) das células solares de perovskita tem aumentou de 3.8% para 26.1% em uma década. Assim, células solares de perovskita de haleto metálico orgânico-inorgânico têm ganhado muita atenção ultimamente.
No entanto, o desenvolvimento de PSCs flexíveis é atrasado devido à alta temperatura de sinterização da camada de transporte de elétrons (ETL). Em PSCs invertidos, os pesquisadores principalmente usado éster metílico do ácido [6,6]-fenil-C61-butírico (PCBM) como ETL para torná-los altamente eficientes. Como os PCBM são caros, incorporá-los ao dispositivo aumenta as despesas gerais do dispositivo.
Pesquisadores então tentou PSCs sem ETL que são os dispositivos mais promissores e aceitáveis. Esta abordagem tem configuração simples e elimina preparação complexa, reduzindo assim o tempo e a energia necessários.
Fato rápido: Liu et al. desenvolveram o primeiro PCE ter 13.5%.
As células PCE atuais têm eficiência de 20-22%, mas ainda estão atrasadas devido à taxa de transferência de carga desequilibrada.
Razão: Falta de campo interno permanente quando o ETL está ausente.
Considerando diferentes abordagens
Os pesquisadores consideraram usar concentradores, materiais PV com 2 ou mais bandgaps distintos em arranjo tandem e uma abordagem bifacial. Todos eles visam melhorar o desempenho do dispositivo e encorajar a adoção generalizada da tecnologia. Como o design bifacial é simples e barato, ele aumenta a eficiência de conversão de energia a um custo ligeiramente mais alto ao adicionar um eletrodo transparente traseiro.
A luz pode entrar no sistema por ambas as extremidades instalando os eletrodos transparentes. Com isso, os painéis solares bifaciais podem potencialmente atingir mais de 30% de PCE maior em comparação com painéis monofaciais. No entanto, há diferentes fatores que determinam o mesmo, como ângulo de inclinação, refletividade da superfície do solo e altura acima do solo, etc. Além disso, se os benefícios da tecnologia de células solares bifaciais e flexíveis forem combinados, eles podem resultar em dispositivos de coleta de energia solar eficientes e versáteis.
Aplicações de PSC bifacial flexível sem ETL:
- Cortina dobrável nas lojas
- Coberturas de janelas dobráveis
- Nas velas
- Ou um guarda-chuva na praia
É possível processar PSCs flexíveis pelo método role to role e pode ser encapsulado com camadas flexíveis de baixo custo. Embora PSCs bifaciais flexíveis sejam uma nova tecnologia, ainda em pesquisa e desenvolvimento, eles fizeram avanços notáveis.
Numa iniciativa, NREL desenvolve pás de turbinas eólicas a partir de resina reciclável.
Com a ajuda da simulação, foi fácil para os pesquisadores mirarem nos parâmetros ou propriedades desejados do eletrodo transparente traseiro (RTE). Isso os permite atingir o desempenho ideal do dispositivo. No presente trabalho de simulação, os pesquisadores copiaram o bifacial sem ETL conforme o diagrama a seguir.
Observando células solares flexíveis com diferentes eletrodos, camadas de defeitos interfaciais e camadas de transporte de buracos, os pesquisadores descobriram o alinhamento de bandas e barreiras potenciais para melhorar o desempenho geral. Além disso, eles alcançou eficiência >27% sob diferentes condições otimizando a banda proibida do absorvedor de perovskita para 1.4 eV.
Estrutura do dispositivo e parâmetros de simulação Perovskita baseada em ETL
- Os pesquisadores usaram o pacote Simulador de Capacitância de Células Solares Unidimensional (SCAPS-1D) para simular o dispositivo proposto.
- Além disso, para projetar um dispositivo bifacial a partir de um validado, o Au foi substituído por uma camada composta de eletrodo transparente Cu/Cu2O.
- O FTO passivado (PFTO) foi usado para funcionar como FTE.
Resultados e discussão
Efeitos do eletrodo transparente frontal (FTE)
Em PSCs sem ETL, o FTE deve ser projetado com alta transparência e alinhamento de banda aprimorado para transporte de carga eficiente. Pesquisadores expuseram vários FTEs como In2O3 dopado com zircônio (Zr:In2O3), ITO, ZnO dopado com alumínio (Al:ZnO) e FTO passivado/modificado (PFTO). Em temperaturas mais baixas, foi fácil depositar esses eletrodos em um substrato flexível.
Do diagrama de banda a seguir, é evidente que CBO na interface FTE que está próxima de 0 atraiu PCE mais alto. A direção de um campo elétrico em ITO é oposta à interface HTL, o que não é adequado para transporte de carga eficiente.
Isso é considerado como a barreira potencial para elétrons fluindo em direção aos FTEs. O dispositivo com um valor de CBO menor descreve menos recombinação na interface FTE conforme o perfil de recombinação. Há um aumento na afinidade eletrônica do FTE com uma mudança negativa no CBO na interface FTE. Isso foi devido à diferença na afinidade eletrônica entre camadas adjacentes.
À medida que a espessura das camadas FTE aumenta, o PCE do dispositivo diminui quando iluminado do lado FTO. No entanto, nenhuma mudança significativa foi observada para a iluminação traseira.
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Efeito da camada de transporte de buracos (HTL)
Para este estudo, diferentes HTLs como DM, Cul, Cu2O e CuSCN foram usados no dispositivo de referência de desempenho. O diagrama de banda de energia a seguir mostra o alinhamento de banda modificado em interfaces de perovskita ou HTL e HTL/RTE. Quando iluminados pela parte traseira, a recombinação em dispositivos Cul e CuSCN mostra os mesmos perfis de recombinação SRH. Há maiores possibilidades de recombinação direta com níveis de valência mais altos da camada adjacente.
Efeito das camadas de defeitos interfaciais
No momento do recozimento térmico, os defeitos da interface são destacados. Esses defeitos são promovidos se a interface não tiver vacância de oxigênio, incompatibilidade de rede e composição estequiométrica. O estudo fala sobre 3 tipos de interfaces defeituosas mencionadas abaixo:
- HTL/eletrodo traseiro: Causado pela reação do eletrodo traseiro com HTL na presença de oxigênio.
- TCO/perovskita: Um defeito nessa interface leva à ausência de oxigênio.
- Perovskita/HTL: Qualquer defeito nisso leva à incompatibilidade de rede.
- Para densidade de defeitos menor que 10^16 cm−3, o PCE do dispositivo permanece o mesmo. Ele demonstra uma taxa de recombinação menor na camada de interface.
- Com uma concentração maior que 10^16 cm−3 há um aumento na taxa de recombinação, o que reduz a eficiência do dispositivo.
- Similarmente, com um aumento na espessura da camada de defeito da interface, há uma diminuição linear no PCE do dispositivo. Isso leva a um aumento na taxa de recombinação na região IDL.
Este fenômeno suporta os requisitos para reduzir o defeito na interface PFTO/perovskita via passivação ou qualquer outro método de processamento adequado. Na maioria das vezes, a passivação da superfície é preferida para modificar a morfologia da superfície.
Efeito do eletrodo transparente traseiro (RTE)
Esta O eletrodo ocupa um lugar importante na determinação do desempenho geral dos PSCs bifaciais. Dois fatores principais que afetam o desempenho de células solares bifaciais são afinidade eletrônica e bandgap. PSCs bifaciais têm PCE menor em comparação com sua contraparte de face única, o que impacta o RTE de maneiras importantes. Uma mudança de negativo para positivo no VBO na interface HTL/RTE é observada com um aumento no valor do bandgap do RTE.
Para ambas as condições de iluminação, o dispositivo mostra um máximo PCE em VBO de +0.29 eV (bandgap ~2.4 eV). Quando a afinidade eletrônica é 3.3 eV para ambos os tipos de iluminação com VBO de +0.13 eV em HTL/RTE, o desempenho do dispositivo melhora.
Com um aumento na afinidade eletrônica do RTE, o VBO entre HTL/RTE muda para positivo. O estudo mostra que o dispositivo baseado em NAN mostra maior PCE para iluminação traseira. Ele indica intensidade de campo elétrico reduzida na direção negativa em dispositivos baseados em NAN na interface HTL/RTE. Além disso, o dispositivo PCE aumenta com um aumento na função de trabalho e eles se tornam saturados para grandes funções de trabalho.
Em outra pesquisa Módulo solar tandem de silício perovskita com 28% de eficiência da PeroNova foi introduzido.
Otimização da camada de perovskita
Conforme discutido acima, simulamos diferentes combinações de dispositivos usando diferentes FTE, HTL e RTE. A geração de portadores de carga diminui com o aumento da camada absorvedora de perovskita. Em contraste, o VOC aumenta com o aumento do potencial embutido da camada absorvedora. O dispositivo PCE aumenta para uma lacuna de banda otimizada de 1.4 eV e outros são os seguintes:
- Iluminação frontal PCE 24.65%
- Iluminação traseira PCE 25.48%
A densidade de defeitos da camada absorvedora de perovskita foi reduzida de 8.0 × 10^14 cm−3 a 1.0 × 10^14 cm−3. Isso leva a um aumento em dispositivo PCE para 26.27% e 26.45% para iluminação frontal e traseira.
Além disso, após otimizar a espessura da camada absorvente para 800 nm e então diminuindo a densidade do defeito para 1.0 × 1014 cm−3. Isso aumenta o PCE do dispositivo para 26.88% (iluminação frontal) e 27.35% (iluminação traseira).
Conclusões
Então, com isso, os pesquisadores concluem que usar um pacote de simulação para otimizar PSCs bifaciais sem ETL. Ao estudar o impacto de diferentes materiais no desempenho do dispositivo, observou-se que certos materiais melhoraram o desempenho devido às suas propriedades específicas. Além disso, a lacuna de banda, a densidade de defeitos e a espessura são determinantes importantes da camada absorvedora de perovskita. Assim, a eficiência de conversão de energia de mais de 27% foi alcançada com uma configuração otimizada para iluminação traseira e frontal.
