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 por lâmina com tecnologia escalável para perovskitas de Dion-Jacobson (DJ), que demonstraram uma eficiência de conversão de energia de cerca de 19.11% em diferentes condições ambientais.
Objetivo do estudo – Realizar uma pesquisa sistemática sobre os principais fatores de estabilidade em materiais DJ. Encontrar diretrizes para o projeto de perovskitas DJ estáveis para células solares escaláveis, eficientes e estabilizadas.
Desempenho de células solares de perovskita Dion-Jacobson ultraestáveis e eficientes
As perovskitas 2D têm sido preferidas em relação às 3D devido às suas propriedades fotofísicas e estruturais inerentes desejáveis. A perovskita do tipo DJ, com cátions de diamônio ditópicos, fortalece a ligação entre as camadas inorgânicas e aumenta a rigidez da estrutura. Isso, por sua vez, aumenta sua estabilidade. Diversos estudos sobre as perovskitas de Ruddlesden-Popper (RP) e Dion-Jacobson (DJ) mostram que esta última é menos estável no ambiente atmosférico.
Por exemplo , observou-se baixa estabilidade à umidade em poucas horas nas perovskitas DJ à base de 1,4-fenilenodimetamônio e m-fenilenodiamônio.
De acordo com a análise estrutural, esses materiais possuem uma configuração quântica e de poço de deslocamento intercamadas única , que os diferencia de outras perovskitas DJ. Isso resulta em menor espaçamento intercamadas e transporte de carga otimizado, além de maior integridade estrutural na região intercamadas.
Para cátions intercamadas, o uso de cátions orgânicos cicloalquílicos preserva a eletronegatividade e a flexibilidade das moléculas. Também apresenta vantagens em relação a cátions orgânicos de cadeia alquílica e arílica . A tensão da rede cristalina é efetivamente minimizada nessa abordagem, resultando, em última análise, em 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% |
De acordo com os pesquisadores, a maior eficiência para revestimento de perovskitas 2D por lâmina é a PCE do CDMA . A figura a seguir mostra as curvas de densidade de corrente-tensão (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 apresentou EQE inferior ao CDMA. Na região de absorção de luz visível, a JSC do PDMA foi de 17.57 mA cm⁻² e a do CDMA foi de 19.58 mA cm⁻² . Esses valores corresponderam à JSC medida 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 observado, houve uma distribuição uniforme de grãos nos filmes de perovskita PDMA. Já o CDMA apresentou um aumento significativo no tamanho dos grãos, juntamente com algumas pequenas estruturas bidimensionais cobrindo os contornos de grão correspondentes. Isso possivelmente envolve a autopassivação da interface para garantir a estabilidade. Além disso, permite a obtenção de espectros de absorção ultravioleta-visível (UV-Vis) e medições de difração de raios X (DRX) do revestimento depositado por lâmina.
Os filmes de CDMA apresentam uma largura total à meia altura (FWHM) relativamente menor, juntamente com uma intensidade maior dos picos de difração. Isso sugere uma cristalinidade aprimorada e tamanhos de grão maiores, de acordo com a 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 concluiu que a remoção de concavidades melhora a estabilidade dos filmes de perovskita.
Caracterização da Tensão e Estabilidade da DJ Perovskite Films
Os pesquisadores selecionaram duas profundidades para investigar a tensão residual em ambos os dispositivos, de acordo com a distribuição de fases mostrada pela caracterização por espectroscopia de absorção transiente (TA). Uma área superficial caracterizada por fases tridimensionais e uma alta concentração de perovskitas bidimensionais em uma região mais profunda foram observadas no material. De acordo com a imagem abaixo, a difração de raios X de incidência rasante (GIXRD) dos filmes de perovskita PDMA foi relativa ao plano cristalino 310.
Observou-se um deslocamento para a direita dos picos de difração com o aumento de Ψ (de 0° a 45°). Isso demonstra ainda uma diminuição gradual na distância entre os planos cristalinos e a presença de uma tensão compressiva no filme.
Em regiões ricas em perovskita 2D, os filmes de PDMA apresentam um deslocamento para a esquerda, seguido por um aumento nos valores de Ψ. Observou-se um ligeiro desvio da direção do ajuste linear na tendência de variação. Isso sugere uma distribuição irregular das fases de perovskita 2D, o que impacta negativamente a estabilidade e o desempenho do dispositivo. Por outro lado, nos filmes de CDMA, um deslocamento insignificante com 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 se converteu e decompôs completamente em uma fase de banda proibida larga. Já nos filmes de CDMA, após 100 dias de armazenamento, observou-se uma notável estabilidade à umidade, sem picos de difração de impurezas.
Adicionalmente, a resistência à água dos filmes foi examinada medindo-se os ângulos de contato da água na superfície do filme. O CDMA apresenta um grande ângulo de contato com a água (51°) e o PDMA apresenta ângulos menores (41°) . Isso indica alta resistência à água dos filmes de perovskita CDMA. As curvas dinâmicas do 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.
