Эффективность перовскитных солнечных элементов увеличилась примерно до 26%. Однако крупномасштабное производство по-прежнему остается сложной задачей из-за традиционных методов, таких как центрифужное нанесение покрытия. Для решения этой проблемы исследователи из Римского университета Тор Вергата усовершенствовали процесс нанесения покрытия с помощью ракельного устройства, создав фотоэлектрические солнечные модули большой площади с эффективностью 12.6%. Для этого они использовали слой переноса дырок из оксида никеля на воздухе вместе с нетоксичным растворителем.
Цель исследования – продемонстрировать прогресс в крупномасштабном производстве фотоэлектрических элементов, обеспечивающих долговременную стабильность и эффективность.
Солнечные фотоэлектрические модули большой площади с эффективностью 12.6%
Для повышения однородности перовскитной пленки исследователи ввели самоорганизующиеся монослои между слоями. В результате модули с активной площадью 110 см² достигли эффективности 12.6% . Более того, они сохранили 84% своей первоначальной эффективности после 1,000 часов работы при температуре 85°C на воздухе.
Для изготовления перовскитных солнечных элементов (PSC) используются 2 основные архитектуры, основанные на порядке материалов для переноса заряда:
- Нормальный (прикус)
- Перевернутый (штырь)
В данном случае инвертированные фотоэлектрические элементы демонстрируют улучшенную стабильность и уменьшенное гистерезисное поведение. Это делает их пригодными для потенциальной коммерциализации. Для получения компактного оксида никеля в фотоэлектрических солнечных элементах большой площади используются различные методы осаждения, которые классифицируются на методы, допускающие печать, и методы, не допускающие печать.
Несмотря на то, что технологии печатного нанесения покрытий предлагают различные преимущества, существует существенный разрыв между мелкомасштабными и крупномасштабными печатными фотоэлектрическими элементами на основе NiOx. Например, при переходе к фотоэлектрическим элементам, нанесенным на воздухе, эффективность снизилась до 20.7% в мелкомасштабных модулях и до 10.34% для крупных модулей с активной площадью 3.7 см2.
Процедуры, принятые в исследовании
Исследователи разработали процедуру печати NiOx на подложках размером 15 см на 15 см без этапа центрифугирования. Модули с активной площадью 110 см2 были изготовлены с помощью ракельного лезвия NiOx/MeO-2PACz/перовскита и термического испарения. Кроме того, путем оптимизации чернил NiOx и добавления самоорганизующегося монослоя лучший модуль достиг около 12.6% PCE.
В результате исследователи отметили, что эти модули превзошли предыдущие крупногабаритные фотоэлектрические модули по стабильности, эффективности и производительности.
Результаты и обсуждение: NiOx Оптимизация толщины и однородности пленки
После нанесения пленки NiOx методом ракельного нанесения из раствора NiCl2·6H2O на подложки ITO в условиях окружающей среды, эти пленки были подвергнуты термообработке при 300 °C для ускорения разложения и окисления . Затем для создания пленки NiOx использовался атмосферный кислород.
Исследователи нанесли 4 концентрации на стеклянные/ITO-подложки, которые являются эталонным раствором в 0.15 М, а также 0.075 М (разбавление 1:1), 0.050 М (разбавление 1:2) и 0.037 М (разбавление 1:3). Толщина пленки, измеренная с помощью эллипсометрии, составила более 140 на 140 мм.
Изменение толщины пленки обусловлено неравномерным лезвием ракеля, которое улучшилось с более высокими соотношениями растворителя. Однако толщина пленки и вязкость уменьшались с разбавлением. Таким образом, толщина уменьшалась по мере разбавления концентрации прекурсора, в результате чего получалось: 42.2 нм (0.075 М), 40.0 нм (0.05 М) и 36.2 нм (0.037 М).
На следующем рисунке показаны результаты рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS) и рентгеновской рефлектометрии (XRR). Оба теста использовались для оценки окисления NiOx.
- РФЭС-спектры показывают, что в диапазоне 850-860 эВ 4 пика соответствуют Ni, NiO (Ni²⁺), NiOH (Ni²⁺) и Ni2O3 (Ni³⁺).
- Указанные энергии связи около 852.0, 853.5, 855 и 856 эВ были связаны гауссовыми соответствиями. Это согласуется с литературными значениями.
- Доминирующий пик NiO указывает на сильно окисленную пленку. Они считаются подходящими для приложений, таких как слои переноса дырок в PSC.
- При концентрации 1:1 он остается заметным, но также было отмечено увеличение вкладов Ni и Ni203. Это дополнительно предполагает, что произошло снижение эффективности окисления.
- При концентрации 1:2 и лучшем окислении за счет более тонких пленок более высокий Ni203OXNUMX показывает больше Ni³⁺.
- Дальнейшее разбавление до концентраций 1:3 показывает увеличение Ni203OXNUMX относительно NiO. Это говорит о неоднородности толщины пленки и окислении.
В целом исследователи обнаружили, что снижение концентрации прекурсора коррелирует с повышением сложности оксида никеля и более высокими степенями окисления. Однако более низкий вклад NiO снижается с уменьшением прекурсора.
Узнайте больше о двухсторонних перовскитных солнечных элементах на основе ETL для гибких устройств: результаты моделирования.
Результат измерения XRR
Никаких полос Киссига не было замечено, когда измерения XRR исследовали электронную плотность на осажденных подложках NiOx. Критические углы коррелируют с объемом рассеяния, что показывает следующее:
- Однородность за счет низкой дисперсии
- Неоднородность из-за высокой дисперсии
Наблюдался сдвиг вверх в электронной плотности с уменьшением концентрации прекурсора. Это ясно указывает на то, что более плотные пленки с более высоким разбавлением возможны из-за лучшего окисления или уплотнения во время отжига. Более тонкие пленки показывают улучшение производительности солнечных элементов PV, поскольку они по-прежнему демонстрируют улучшенные свойства.
Наблюдения
- Наиболее однородным является контрольный образец и концентрированное осаждение NiOx в соотношении 1:2.
- Менее равномерная пленка наблюдалась при концентрации 1:3.
- Интерфейс или шероховатость поверхности оценивались с помощью отражательной способности Френеля. Для контрольного образца и концентрации 1:2 она составила около 4.5 (5) нм. Это значение остается постоянным для всех образцов.
- Более высокая дисперсия шероховатости была отмечена в образцах, полученных с концентрационных пластин 1:1 и 1:3. Значения для профиля XRR 1:1 варьируются от 2.5 (5) нм до примерно 4.5 (5) нм. Для профиля XRR 1:3 они составляют от примерно 4.5 (5) нм до примерно 7.0 (5) нм.
Проектирование интерфейса и морфология перовскитной пленки
Данное исследование перовскитных солнечных модулей было сосредоточено на осаждении перовскитного слоя, основываясь на предыдущих работах с использованием двухэтапного метода нанесения покрытия с помощью нетоксичных растворителей. Мы разработали двухкатионный перовскит (Cs0.15FA0.85PbI3−xBrx) путем оптимизации параметров и добавок для улучшения качества пленки. Двухэтапное осаждение включает использование PbI2-(FAI)0.3-(CsI)0.15 в ДМСО с последующим нанесением FAI/FABr в изопропиловом спирте, при этом было предложено четыре метода сушки. В этом исследовании эти методы были протестированы на жестких подложках, что позволило получить высококачественные пленки на подложках размером 15 см × 15 см, открывая путь к универсальной экологически чистой перовскитной композиции для различных устройств и подложек.
С помощью изображений SEM стало ясно, что некоторые дефекты на фотоэлектрической пленке были вызваны неоптимизированным слоем NiOx (0.15 M). Дефекты включают в себя отверстия и видимые полосы, которые были в основном вызваны неравномерным осаждением. С другой стороны, в оптимизированном слое NiOx (0.05 M) было обнаружено меньше дефектов, таких как более мелкие частицы и меньшее количество отверстий.
Другие исследования указывают на следующее:
- Однако результаты в оптимизированном слое были лучше, чем раньше, но возникновение отверстий сохранилось. Это указывает на серьезную проблему, связанную с Проблемы адгезии между пленкой NiOx и чернилами-предшественниками фотоэлектрических элементов.
- УФ-озон и плазменная традиционная обработка поверхности отрицательно влияет на пленку NiOx. Это ухудшает проблемы интерфейса, такие как образование избыточного Pbl2. Это может вести себя как барьер для извлечения дырок, снижение напряжения холостого хода устройства.
- Кроме того, низкая проводимость NiO может оказать вредное воздействие на работу перовскитных солнечных элементов.
Чтобы избежать всех этих проблем и улучшить описанные выше ситуации, исследователи использовали самоорганизующийся монослой (SAM) MeO-2PACz на границе раздела HTL/перовскит.
В ходе другой попытки исследователи обнаружили, что сверхстабильные двумерные перовскиты Диона-Джейкобсона достигают эффективности 19.11%.
Наблюдения
- СЭМ-изображение пленки перовскита подтверждает эффективность использованных методов: слой SAM.
- Пленки перовскита были очень однородными, и в них не было никаких отверстий.
- Эллипсометрическая карта толщины показывает, что средняя толщина пленки составила 570 мм, что также подтверждает однородность.
- В результате процесса ракельного лезвия возникает градиент с начальной толщиной 700 нм. Также к концу покрытия наблюдается небольшое ее уменьшение.
- Однако однородность была достигнута с помощью слоя SAM, и проблемы с адгезией были решены с его помощью. Результатом стали стабильные и готовые к промышленному использованию перовскитные солнечные модули.
Модули и долгосрочная стабильность 12.6% эффективных крупногабаритных фотоэлектрических солнечных модулей
Наконец, успешная сборка перовскитного солнечного модуля была выполнена путем испарения C60/BCP в качестве слоя переноса электронов (ETL). Затем было выполнено лазерное скрайбирование P2 и последующее испарение медного электрода. Затем процесс был завершен скрайбированием P3. Характеристики фотоэлектрического модуля с 22 последовательно соединенными ячейками следующие:
- КПД – 12.6%
- Ток короткого замыкания (КЗ) – 98.13 мА
- Коэффициент заполнения – 63.49%
- Напряжение холостого хода (VOC) – 22.3 В
- Индекс гистерезиса близкий к единице – 1.02
Однако замечательная согласованность в производительности между прямыми и обратными сканированиями измерений демонстрируется близким к единице индексом гистерезиса. Это подчеркивает надежную работу перовскитного модуля.
Заключение
В заключение, это исследование продвигает масштабируемость 12.6% эффективных крупногабаритных солнечных модулей для коммерческого использования. Благодаря использованию шаберного лезвия стало возможным создание крупногабаритного модуля PSC с NiOx HTL. Конечным результатом стала нетоксичная формула перовскита. И, наконец, PSC с улучшенной стабильностью и производительностью демонстрируют свой потенциал для будущей оптимизации и коммерческих приложений.
