Além da eficiência, a estabilidade tem sido uma preocupação de longa data para PVs de perovskita e suas aplicações práticas. Até o momento, tais materiais estáveis para fotovoltaicos e dados sobre eles são insuficientes e os pesquisadores estão tentando materiais diferentes para reunir melhor percepção. Neste estudo de pesquisa, as células solares de perovskita Dion-Jacobson ultraestáveis e eficientes para aplicações fotovoltaicas estão sendo testadas.
A equipe projetou com sucesso células solares revestidas de lâminas com tecnologia escalável para perovskitas Dion-Jacobson (DJ) que demonstrou cerca de 19.11% de eficiência de conversão de energia em diferentes condições ambientais.
Objetivo do estudo – Realizar pesquisa sistemática sobre fatores-chave de estabilidade em materiais DJ. Encontrar as diretrizes para projetar perovskitas DJ estáveis para células solares escaláveis, estabilizadas e eficientes.
Desempenho de células solares de perovskita Dion-Jacobson ultraestáveis e eficientes
Perovskitas 2D têm sido preferidas às 3D devido às suas propriedades fotofísicas e estruturais inerentes desejáveis. A perovskita do tipo DJ com cátions diamônio ditópicos fortalece a conexão entre camadas inorgânicas e aumenta a rigidez da estrutura. Isso aumenta ainda mais sua estabilidade. Vários estudos em perovskitas Ruddlesden-Popper (RP) e Dion-Jacobson (DJ) mostram que esta última é menos estável no ambiente atmosférico.
Por exemplo, baixa estabilidade de umidade foi observada dentro de algumas horas nas perovskitas DJ baseadas em 1,4-fenilenodimetamônio e m-fenilenodiamônio.
De acordo com a análise estrutural, esses materiais têm uma configuração quântica e de poço de deslocamento intercamadas única, diferenciando-os de outras perovskitas DJ. Isso leva a menos espaçamento entre camadas e transporte de carga otimizado e integridade estrutural na camada intermediária.
Para cátions intercamadas, o uso de cátions orgânicos cicloalquil preserva a eletronegatividade e a flexibilidade das moléculas. Também é vantajoso sobre cátions orgânicos de cadeia alquílica e arila. O estresse da rede é efetivamente minimizado nessa abordagem, levando, em última análise, à estabilidade estrutural geral.
Destaques
- Introdução de uma nova série de DJ (CDMA 1, 4-ciclohexanodimetamônio, n≥1) (MA)n-1Pbn3n+1 para células solares estáveis e eficientes.
- Essas células não encapsuladas mantiveram 92% de sua eficiência por mais de 4000 horas sob condições de envelhecimento com umidade relativa (UR) de ~90%.
- Essas células apresentam estabilidade operacional e térmica a 85° C.
- Nenhuma eficiência perdida após 5000 horas de tratamento.
- Sem perda de eficiência após operar a 45° C no ponto de potência máxima (MPPT) por mais de 6000 horas sob luz contínua (100 mW cm-2).
O Processo da Pesquisa
A técnica de deposição de revestimento de lâmina escalável foi usada para demonstrar o potencial das perovskitas DJ para células solares de larga escala. As células solares de referência usaram a perovskita DJ PDMA n=5 nominal. Elas são conhecidas por aumentar a estabilidade do dispositivo e têm configurações moleculares orgânicas semelhantes.
| Propriedades das células | Dispositivo de referência | Dispositivo nominal n = 5 células solares de perovskita baseadas em CDMA |
| PCE | 14.87% | 19.11% |
| Tensão de circuito aberto (VOC) | 1.06 V | 1.16 V |
| Densidade de corrente de curto-circuito (JSC) | 18.32 mA cm−2 | 20.41 mA cm−2 |
| Fator de preenchimento | 76.46% | 80.56% |
O método da a maior eficiência para revestimento de lâminas de perovskitas 2D é o PCE do CDMA, conforme os pesquisadores. A figura a seguir mostra as curvas de densidade de corrente-voltagem (JV) das células solares DJ.
Eficiência Quântica Externa (EQE)
Os pesquisadores mediram a densidade de corrente de curto-circuito (JSC) do dispositivo com EQE. O dispositivo PDMA tem EQE menor que o CDMA. Sobre a região de absorção de luz visível, o JSC de PDMA foi 17.57 e CDMA foi 19.58 mA cm-2. Esses valores correspondem ao JSC medido sob o estimulador solar.
Estabilidade das células solares sob diferentes condições
Além disso, os pesquisadores estudaram a estabilidade dessas células sob estresse por calor, luz e umidade.
Leve estresse
Sua estabilidade operacional foi verificada sob uma caixa de luvas de atmosfera de nitrogênio usando um rastreamento MPPT sob um LED branco simulado de 1 sol (diodo emissor de luz). O teste em torno de 45° C por mais de 6000 horas envelhecendo sem uma tendência de queda.
- PDMA – PCE reduzido em cerca de 30%.
- CDMA – Ligeira flutuação em torno de sua eficiência inicial.
Calor
A estabilidade térmica das células solares foi verificada em uma placa de aquecimento a 85° C.
- PDMA – Queda de 50% na eficiência inicial.
- CDMA – Eficiência insignificante mesmo após 5000 horas.
Isso verifica a tolerância térmica superior das células de perovskita CDMA.
Umidade
As células solares não encapsuladas foram armazenadas em uma câmara com umidade de temperatura constante, em torno de ~90% UR a ~22° C. Isso causa os seguintes efeitos em ambos os dispositivos.
- PDMA – Rápida redução do PCE para zero após 500 horas de envelhecimento.
- CDMA – Apresenta cerca de 92% de eficiência inicial após 4394 horas de envelhecimento.
Ao comparar os dispositivos antigos, descobrimos que a camada ativa dos dispositivos baseados em PDMA se tornou incolor, enquanto o dispositivo baseado em CDMA não mostra nenhuma descoloração visível. Isso confirma que as perovskitas DJ CDMA têm alta tolerância à umidade. Conforme a imagem consolidada mostrada abaixo, a série CDMA é a melhor entre as células solares de perovskita 2D e 3D, de acordo com os pesquisadores.
Características do dispositivo
Caracterização do dispositivo
A figura a seguir mostra uma distribuição estatística do fator de histerese calculado. Ele foi medido a partir do PCE de células solares PDMA e CDMA. Isso indica histerese distribuída relativamente mais baixa e estável em CDMA, o que pode ser propício para produzir células solares estáveis e escaláveis para aplicações práticas.
Caracterização dos filmes de perovskita
Os pesquisadores usaram microscopia eletrônica de varredura (MEV) de visão superior para estudar a morfologia dos filmes de perovskita.
Conforme a observação, houve uma distribuição uniforme de grãos em PDMA filmes de perovskita. Considerando que, o CDMA tem um aumento distinto do tamanho dos grãos juntamente com algumas pequenas bolachas 2D cobrindo os limites de grãos correspondentes. Isso possivelmente envolve autopassivação da interface para garantir estabilidade. Além disso, ajuda a habilitar espectros de absorção ultravioleta-visível (UV-Vis) e medições de XRD do revestimento da lâmina.
Os filmes CDMA têm uma largura total relativamente mais estreita na metade do máximo (FWHM) juntamente com a intensidade mais forte dos picos de difração. Isso sugere cristalinidade melhorada e tamanhos de grãos aumentados conforme Equação de Scherrer.
De acordo com os espectros de absorção UV-Vis, ambos os filmes de perovskita DJ têm distribuições de fase 2D. No entanto, o CDMA tem alta intensidade, sugerindo distribuição de fase 2D abundante, o que é benéfico para sua absorção de onda curta e estabilidade do filme.
A observação de espalhamento de raios X de ângulo amplo com incidência de pastejo (GIWAXS) mostra que o CDMA tem pontos de Bragg relativamente fortes e discretos. Isso indica sua melhor cristalização que beneficia o transporte de carga.
Uma pesquisa realizada por cientistas da HKUST conclui a remoção de concavidades melhora a estabilidade dos filmes de perovskita
Caracterização da Tensão e Estabilidade da DJ Perovskite Films
Pesquisadores selecionados 2 profundidades para investigar a deformação residual em ambos os dispositivos de acordo com a distribuição de fases mostrada pela caracterização TA. Uma área superficial caracterizada por fases do tipo 3D e uma alta concentração de perovskitas 2D em uma região mais profunda foram observadas no material. De acordo com a imagem abaixo, a incidente de pastejo difração de raios X (GIXRD) de filmes de perovskita PDMA foi relativo ao plano cristalino 310.
Houve deslocamento para a direita nos picos de difração com o aumento de Ψ (0° a 45°). Isso mostra ainda uma diminuição gradual na distância do plano cristalino e que há uma tensão compressiva no filme.
Em regiões ricas em perovskita 2D, Os filmes PDMA mostram uma tendência para a esquerda deslocamento seguido por um aumento nos valores de Ψ. Houve um ligeiro desvio da direção de ajuste linear na tendência de variação. Isso sugere uma distribuição desigual de fases de perovskita 2D que impacta negativamente a estabilidade e o desempenho do dispositivo. Pelo contrário, em Filmes CDMA, deslocamento insignificante com um aumento de Ψ em ambas as regiões foi evidente.
Os resultados foram consistentes após o cálculo da deformação residual por meio de gráficos de Williamson-Hall. Isso sugere que a perovskita DJ é quase livre de deformação residual e essa qualidade contribui para sua estabilidade.
Após um mês de armazenamento, a fase preta do filme foi completamente convertida e decomposta em uma fase de banda larga. Enquanto nos filmes CDMA, após 100 dias de armazenamento, notáveis estabilidade de umidade sem picos de difração de impurezas foi observada.
Além disso, a resistência à água dos filmes foi examinada medindo os ângulos de contato da água na superfície do filme. O CDMA exibe uma grande ângulo de contato com a água (51°) e PDMA tem ângulos menores (41°). Isso indica alta resistência à água dos filmes de perovskita CDMA. As curvas dinâmicas de ângulo de contato mostradas na imagem abaixo confirmam a excelente resistência ao alagamento dos filmes de perovskita CDMA.
Conclusão
Como resultado, os pesquisadores descobriram que incorporar cátions orgânicos flexíveis no deslocamento da intercamada pode melhorar a estabilidade estrutural da configuração da perovskita DJ. Com base nisso, os pesquisadores projetaram uma série de perovskitas DJ de deslocamento da intercamada. Além disso, os materiais foram aplicados ao processo de revestimento da lâmina. Maior eficiência e estabilidade foram alcançadas depois disso. Além disso, em testes de envelhecimento, também houve degradação mínima no dispositivo.
No geral, os pesquisadores concluem que a série recém-desenvolvida tem potencial para construir perovskitas 2D estáveis que podem ser usadas para diversas aplicações.
