A eficiência das células solares de perovskita aumentou para cerca de 26%. No entanto, a produção em larga escala ainda é um desafio devido a métodos tradicionais como a deposição por rotação. Para superar esse obstáculo, pesquisadores da Universidade de Roma Tor Vergata aprimoraram o processo de deposição por lâmina para criar módulos solares fotovoltaicos de grande área com eficiência de 12.6%. Para isso, utilizaram uma camada de transporte de lacunas de óxido de níquel em ar ambiente, juntamente com um solvente não tóxico.
Objetivo do estudo – Demonstrar o progresso na produção em larga escala de células fotovoltaicas que ofereçam estabilidade e eficiência a longo prazo.
Módulos solares fotovoltaicos de grande área com eficiência de 12.6%
Para melhorar a uniformidade do filme de perovskita, os pesquisadores introduziram monocamadas auto-organizadas entre as camadas. Como resultado, os módulos com área ativa de 110 cm² atingiram uma eficiência de 12.6% . Além disso, mantiveram 84% da sua eficiência inicial após 1,000 horas a 85 °C no ar.
Duas arquiteturas principais baseadas na ordem dos materiais de transporte de carga são seguidas para fabricar células solares de perovskita (PSCs):
- Normal (beliscão)
- Invertido (pino)
Neste caso, as PSCs invertidas apresentam maior estabilidade e menor histerese, o que as torna adequadas para potencial comercialização. Para a produção de óxido de níquel compacto em células solares fotovoltaicas de grande área, são utilizados diferentes métodos de deposição, classificados em métodos imprimíveis e não imprimíveis.
Apesar de as técnicas de deposição imprimíveis oferecerem diversas vantagens, existe uma diferença substancial entre as células solares de perovskita (PSCs) à base de NiOx imprimíveis em pequena e grande escala. Por exemplo, ao passar para PSCs depositadas em ar ambiente, a eficiência caiu para 20.7% em pequena escala e para 10.34% em módulos grandes com área ativa de 3.7 cm².
Procedimentos adotados no estudo
Pesquisadores estabeleceram um procedimento para imprimir NiOx em substratos de 15 cm por 15 cm sem etapa de revestimento por centrifugação. Módulos com área ativa de 110 cm2 foram feitos com NiOx/MeO-2PACz/perovskita de lâmina raspadora e evaporação térmica. Além disso, otimizando a tinta NiOx e adicionando uma monocamada automontada, o melhor módulo atingiu cerca de 12.6% de PCE.
Como resultado, os pesquisadores observaram que esses módulos superaram os módulos fotovoltaicos de grande área anteriores em termos de estabilidade, eficiência e desempenho.
Resultados e Discussão: NiOx Otimização da espessura e uniformidade do filme
Após a deposição do filme de NiOx por meio da técnica de lâmina de revestimento (doctor-blading) em substratos de ITO sob condições ambientais, esses filmes foram então submetidos a tratamento térmico a 300 °C para promover a decomposição e oxidação . Em seguida, utilizou-se oxigênio atmosférico para a formação do filme de NiOx.
Os pesquisadores depositaram 4 concentrações em substratos de vidro/ITO, que é uma solução de referência a 0.15 M, juntamente com 0.075 M (diluição 1:1), 0.050 M (diluição 1:2) e 0.037 M (diluição 1:3). A espessura do filme medida usando elipsometria foi maior que 140 por 140 mm.
A variação na espessura do filme é devido à lâmina de raspagem não uniforme, que melhorou com maiores proporções de solvente. No entanto, a espessura do filme e a viscosidade diminuíram com a diluição. Assim, a espessura diminuiu conforme a concentração do precursor diluiu, resultando em: 42.2 nm (0.075 M), 40.0 nm (0.05 M) e 36.2 nm (0.037 M).
A figura a seguir mostra os resultados da espectroscopia de fotoelétrons de raios X (XPS) e da reflectometria de raios X (XRR). Ambos os testes foram usados para avaliar a oxidação de NiOx.
- Os espectros XPS mostram que na faixa de 850-860 eV, 4 picos correspondiam a Ni, NiO (Ni²⁺), NiOH (Ni²⁺) e Ni2O3 (Ni³⁺).
- Energias de ligação indicadas de cerca de 852.0, 853.5, 855 e 856 eV foram ligadas por ajustes gaussianos. Isso se alinha com os valores da literatura.
- Um pico de NiO dominante indica um filme altamente oxidado. Eles são considerados adequados para aplicações como camadas de transporte de buracos em PSCs.
- Com concentrações de 1:1, ele permanece proeminente, mas um aumento nas contribuições de Ni e Ni203 também foi notado. Isso sugere ainda que houve uma redução na eficiência de oxidação.
- Com concentrações de 1:2 e melhor oxidação de filmes mais finos, maiores teores de Ni203 mostram mais Ni³⁺.
- Diluição adicional para concentrações de 1:3 mostra um aumento em Ni203 em relação a NiO. Isso sugere não uniformidade na espessura do filme e oxidação.
No geral, os pesquisadores descobriram que a concentração reduzida de precursores se correlaciona com o aumento da complexidade do óxido de níquel e estados de oxidação mais altos. No entanto, a contribuição menor de NiO reduz com menos precursor.
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Resultado da medição XRR
Nenhuma franja de Kiessig foi notada quando as medições de XRR examinaram a densidade de elétrons em substratos depositados com NiOx. Ângulos críticos se correlacionam com o volume de espalhamento, o que mostra o seguinte:
- Uniformidade devido à baixa dispersão
- Heterogeneidade devido à alta dispersão
Houve uma mudança para cima na densidade de elétrons com a diminuição da concentração de precursores. Isso indica claramente que filmes mais densos com maior diluição são possíveis devido à melhor oxidação ou compactação durante o recozimento. Filmes mais finos mostram melhora no desempenho da célula solar PV, pois ainda exibem propriedades aprimoradas.
Observações
- A mais homogênea é a amostra de referência e a deposição de NiOx concentrada 1:2.
- Foi observada uma película menos uniforme na concentração 1:3.
- A rugosidade da interface ou da superfície foi estimada com a refletividade de Fresnel. Para a amostra de referência e concentração 1:2, foi em torno de 4.5 (5) nm. Este valor permanece constante em todos os padrões.
- Maior dispersão de rugosidade foi notada em amostras obtidas de placas de concentração 1:1 e 1:3. Os valores para o perfil XRR 1:1 variam de 2.5 (5) nm a cerca de 4.5 (5) nm. Para o perfil XRR 1:3, é de cerca de 4.5 (5) nm a cerca de 7.0 (5) nm.
Engenharia de Interface e Morfologia de Filmes de Perovskita
Esta investigação sobre módulos solares de perovskita focou-se na deposição da camada de perovskita, baseando-se em trabalhos anteriores com um método de revestimento por lâmina em duas etapas , utilizando solventes não tóxicos. Desenvolvemos uma perovskita de cátion duplo (Cs0.15FA0.85PbI3−xBrx) através da otimização de parâmetros e aditivos para melhorar a qualidade do filme. A deposição em duas etapas envolve a utilização de PbI2-(FAI)0.3-(CsI)0.15 em DMSO, seguida de FAI/FABr em álcool isopropílico, com quatro métodos de secagem propostos. Este estudo testou estas técnicas em substratos rígidos, produzindo filmes de alta qualidade em substratos de 15 cm × 15 cm, abrindo caminho para uma formulação de perovskita verde universal para diversos dispositivos e substratos.
Por meio de imagens SEM, ficou claro que alguns defeitos foram causados no filme PV pela camada de NiOx não otimizada (0.15 M). Os defeitos incluem furos e barras visíveis que foram principalmente devido à deposição irregular. Por outro lado, menos defeitos foram observados na camada de NiOx otimizada (0.05 M), como partículas menores e menos furos.
Outros estudos indicam o seguinte:
- No entanto, os resultados na camada otimizada foram melhores do que antes, mas a ocorrência de furos persistiu. Isso indica um grande desafio relacionado à problemas de adesão entre o filme NiOx e as tintas precursoras de PV.
- O ozônio UV e tratamentos de superfície convencionais de plasma tem um efeito negativo no filme de NiOx. Isso piora os problemas de interface, como a formação de excesso de Pbl2. Isso pode se comportar como uma barreira de extração de buracos, reduzindo a tensão do circuito aberto do dispositivo.
- Além disso, o baixa condutividade do NiO pode ser prejudicial ao desempenho das células solares de perovskita.
Para evitar todos esses problemas e melhorar as situações acima, os pesquisadores usaram uma monocamada automontada (SAM) de MeO-2PACz na interface HTL/perovskita.
Em outra tentativa, pesquisadores descobriram que perovskitas Dion-Jacobson 2D ultraestáveis atingem uma eficiência de 19.11%.
Observações
- A imagem SEM do filme de perovskita confirma a eficácia dos métodos utilizados: camada SAM.
- Os filmes de perovskita eram altamente uniformes e não havia furos.
- O mapa de espessura da elipsometria mostra que a espessura média do filme alcançada foi de 570 mm, o que também confirmou a uniformidade.
- Devido ao processo de doctor blading, há um gradiente com uma espessura inicial de 700 nm. Além disso, em direção ao final do revestimento, há uma ligeira diminuição nisso.
- No entanto, a uniformidade foi alcançada usando a camada SAM e problemas de adesão foram resolvidos com a mesma. O resultado foram módulos solares de perovskita estáveis e prontos para uso industrial.
Módulos e estabilidade de longo prazo de módulos solares fotovoltaicos de grande área com eficiência de 12.6%
Finalmente, a montagem bem-sucedida do módulo solar de perovskita foi feita por meio da evaporação de C60/BCP como camada de transporte de elétrons (ETL). Em seguida, foi feita a gravação a laser P2 e a subsequente evaporação do eletrodo de cobre. Em seguida, o processo foi concluído com a gravação P3. As características do módulo fotovoltaico com 22 células conectadas em série são as seguintes:
- Eficiência - 12.6%
- Corrente de curto-circuito (ISC) – 98.13 mA
- Fator de preenchimento – 63.49%
- Tensão de circuito aberto (VOC) – 22.3 V
- Índice de histerese quase unitário – 1.02
No entanto, uma consistência notável no desempenho entre varreduras de medição direta e reversa é demonstrada pelo índice de histerese quase unitária. Isso destaca a operação confiável do módulo de perovskita.
Conclusão
Concluindo, esta pesquisa avança a escalabilidade dos módulos solares PV de grande área com eficiência de 12.6% para uso comercial. Ao usar o doctor blading, a criação de um módulo PSC de grande área com NiOx HTL tornou-se possível. O resultado final foi uma formulação de perovskita não tóxica. E, finalmente, os PSCs com estabilidade e desempenho aprimorados mostram seu potencial para otimização futura e aplicações comerciais.
