Перовскитные солнечные элементы (PSC) имеют универсальное применение, что делает их многообещающим устройством для повседневной жизни. В этом исследовании исследователи оптимизируют двусторонние перовскитные солнечные элементы на основе ETL для гибких устройств с помощью моделирования. Процесс выполняется путем выбора подходящего переднего прозрачного электрода (FTE), слоя переноса дырок (HTL) и заднего прозрачного электрода (RTE).
Двусторонние перовскитные солнечные элементы на основе ETL для гибких устройств
Было замечено, что Эффективность преобразования энергии (КПЭ) перовскитного элемента значительно улучшена. Это стало возможным благодаря хорошо-подобной структуре с небольшим смещением зоны проводимости (CBO) на границе FTE/перовскит. Однако было отмечено снижение производительности при смещении вверх валентной зоны HTL.
Основные моменты:
- Оптимизировать двусторонний перовскит без ETL для гибких устройств.
- Минимальный CBO на границе перовскита может повысить производительность устройства.
- Ширина запрещенной зоны и сродство к электрону RTE существенно влияют на производительность устройства.
- Оптимальным является 1.4 эВ перовскита.
- Для обоих условий освещенности прибор показывает PCE >27%.
Эффективность преобразования энергии (PCE) перовскитных солнечных элементов увеличился с 3.8% до 26.1% за десятилетие. Таким образом, в последнее время все больше внимания привлекают органо-неорганические металлогалогенидные перовскитные солнечные элементы.
Однако разработка гибких PSC задерживается из-за высокой температуры спекания слоя электронного транспорта (ETL). В инвертированных PSC исследователи в основном в качестве ETL использовали метиловый эфир [6,6]-фенил-C61-масляной кислоты (PCBM) сделать их высокоэффективными. Поскольку PCBM дороги, включение их в устройство увеличивает общие расходы на устройство.
Исследователи тогда попробовали ETL-free PSC которые являются наиболее перспективными и приемлемыми устройствами. Этот подход имеет простую конфигурацию и исключает сложную подготовку, тем самым сокращая время и требуемую энергию.
Быстрый факт: Лю и др. разработали первый ПСЕ имеющий 13.5%..
Современные элементы PCE имеют эффективность 20–22%, но все еще отстают из-за несбалансированной скорости передачи заряда.
Причина: Отсутствие постоянного встроенного поля при отсутствии ETL.
Рассмотрение различных подходов
Исследователи рассматривали возможность использования концентраторов, фотоэлектрических материалов с 2 или более отдельными запрещенными зонами в тандемном расположении и двусторонний подход. Все это направлено на улучшение производительности устройства и поощрение широкого внедрения технологии. Поскольку двусторонний дизайн прост и недорог, он повышает эффективность преобразования энергии при несколько более высокой стоимости за счет добавления заднего прозрачного электрода.
Свет может попадать в систему с обоих концов, устанавливая прозрачные электроды. При этом двусторонние солнечные панели могут потенциально достичь более чем 30% более высокого PCE по сравнению с односторонними панелями. Однако существуют различные факторы, определяющие это, такие как угол наклона, отражательная способность поверхности земли, высота над землей и т. д. Более того, если объединить преимущества технологии двусторонних и гибких солнечных элементов, они могут привести к созданию эффективных и универсальных устройств для сбора солнечной энергии.
Применение гибких двусторонних PSC без ETL:
- Складная шторка на лавках
- Складные оконные покрытия
- На парусах
- Или зонтик на пляже.
Можно обрабатывать гибкие PSC методом «роль в роль» и инкапсулировать их в недорогие гибкие слои. Хотя гибкие двусторонние PSC являются новой технологией, все еще находящейся на стадии исследований и разработок, они достигли заметных успехов.
В рамках инициативы, NREL разрабатывает лопасти ветряных турбин из перерабатываемой смолы.
С помощью моделирования исследователям было легко нацелиться на желаемые параметры или свойства заднего прозрачного электрода (RTE). Это позволяет им достичь оптимальной производительности устройства. В настоящей работе по моделированию исследователи скопировали двусторонний ETL-free, как показано на следующей схеме.
Наблюдая за гибкими солнечными элементами с различными электродами, слоями интерфейсных дефектов и слоями переноса дырок, исследователи обнаружили выравнивание зон и потенциальные барьеры для улучшения общей производительности. Более того, они достигнута эффективность >27% в различных условиях за счет оптимизации ширины запрещенной зоны перовскитного поглотителя до 1.4 эВ.
Структура устройства и параметры моделирования Перовскит на основе ETL
- Для моделирования предлагаемого устройства исследователи использовали пакет одномерного имитатора емкости солнечных элементов (SCAPS-1D).
- Также для проектирования двустороннего устройства на основе проверенного Au был заменен прозрачным электродным композитным слоем Cu/Cu2O.
- В качестве FTE использовался пассивированный FTO (PFTO).
Результаты и обсуждение
Эффекты переднего прозрачного электрода (ППЭ)
В ETL-free PSC FTE должен быть разработан с высокой прозрачностью и улучшенным выравниванием полос для эффективной транспортировки заряда. Исследователи выявили различные FTE, такие как In2O3, легированный цирконием (Zr:In2O3), ITO, ZnO, легированный алюминием (Al:ZnO), и пассивированный/модифицированный-FTO (PFTO). При более низких температурах было легко нанести эти электроды на гибкую подложку.
Из следующей диаграммы зон видно, что CBO на интерфейсе FTE, близком к 0, привлекли более высокий PCE. Направление электрического поля на ITO противоположно интерфейсу HTL, что не подходит для эффективной транспортировки заряда.
Это рассматривается как потенциальный барьер для электронов, текущих к FTE. Устройство с меньшим значением CBO показывает меньшую рекомбинацию на интерфейсе FTE согласно профилю рекомбинации. Наблюдается увеличение электронного сродства FTE с отрицательным изменением CBO на интерфейсе FTE. Это было связано с разницей в электронном сродстве между соседними слоями.
С увеличением толщины слоев FTE КПД устройства уменьшается при освещении со стороны FTO. Однако существенных изменений при освещении сзади не наблюдалось.
Эффект слоя дырочного транспорта (HTL)
Для этого исследования на эталонном устройстве производительности использовались различные HTL, такие как DM, Cul, Cu2O и CuSCN. Следующая диаграмма энергетических зон показывает измененное выравнивание зон на интерфейсах перовскита или HTL и HTL/RTE. При освещении сзади рекомбинация в устройствах Cul и CuSCN показывает те же профили рекомбинации SRH. Существуют более высокие возможности прямой рекомбинации с более высокими уровнями валентности соседнего слоя.
Влияние дефектных слоев на границе раздела
Во время термического отжига дефекты интерфейса становятся заметными. Эти дефекты усиливаются, если интерфейс не имеет кислородной вакансии, несоответствия решетки и стехиометрического состава. В исследовании говорится о Ниже перечислены 3 типа интерфейсов дефектов:
- HTL/задний электрод: возникает из-за реакции заднего электрода с HTL в присутствии кислорода.
- TCO/перовскит: дефект в этом интерфейсе приводит к образованию вакансий кислорода.
- Перовскит/HTL: любой дефект в этом случае приводит к несоответствию решеток.
- При плотности дефектов менее 10^16 см−3 КПД прибора остается прежним. Он демонстрирует меньшую скорость рекомбинации в интерфейсном слое.
- При концентрации выше 10^16 см−3 увеличивается скорость рекомбинации, что снижает эффективность устройства.
- Аналогично, с увеличением толщины дефектного слоя интерфейса наблюдается линейное уменьшение КПД прибора, что приводит к увеличению скорости рекомбинации в области IDL.
Это явление подтверждает требования по уменьшению дефекта на интерфейсе PFTO/перовскит посредством пассивации или любого другого подходящего метода обработки. В основном, поверхностная пассивация предпочтительна для изменения морфологии поверхности.
Эффект заднего прозрачного электрода (ЗПЭ)
Эти Электрод играет важную роль в определении общей производительности двусторонних ПСК.. Два основных фактора, влияющих на производительность двусторонних солнечных элементов, — это электронное сродство и ширина запрещенной зоны. Двусторонние PSC имеют более низкий PCE по сравнению с их односторонним аналогом, что влияет на RTE важным образом. Изменение с отрицательного на положительное в VBO на интерфейсе HTL/RTE наблюдается с увеличением значения ширины запрещенной зоны RTE.
Для обоих условий освещенности прибор показывает максимум PCE при VBO +0.29 эВ (ширина запрещенной зоны ~2.4 эВ). Когда сродство к электрону составляет 3.3 эВ для обоих типов освещения с VBO +0.13 эВ при HTL/RTE, производительность устройства улучшается.
С увеличением электронного сродства RTE VBO между HTL/RTE смещается в сторону положительного значения. Исследование показывает, что устройство на основе NAN показывает более высокий PCE для задней подсветки. Это указывает на снижение напряженности электрического поля в отрицательном направлении в устройствах на основе NAN на интерфейсе HTL/RTE. Более того, устройство PCE увеличивается с увеличением работы выхода, и они становятся насыщенными для больших работ выхода.
В другом исследовании Тандемный солнечный модуль на основе перовскита и кремния с эффективностью 28% от PeroNova был представлен.
Оптимизация слоя перовскита
Как обсуждалось выше, мы смоделировали различные комбинации устройств, использующих различные FTE, HTL и RTE. Генерация носителей заряда уменьшается с увеличением слоя перовскита-поглотителя. Напротив, VOC увеличивается с увеличением встроенного потенциала слоя поглотителя. Устройство PCE увеличивается до оптимизированной ширины запрещенной зоны 1.4 эВ, а другие следующие:
- Коэффициент полезного действия переднего освещения 24.65%
- Заднее освещение PCE 25.48%
Плотность дефектов поглощающего слоя перовскита была снижена с 8.0 × 10^14 см−3 до 1.0 × 10^14 см−3. Это приводит к увеличению КПД устройства 26.27% и 26.45% для переднего и заднего освещения.
Более того, после оптимизации толщины слоя абсорбера 800 нм, а затем уменьшение плотности дефектов до 1.0 × 1014 см−3. Это увеличивает PCE устройства до 26.88% (переднее освещение) и 27.35% (заднее освещение).
Выводы
Итак, с этим исследователи делают вывод, что использование пакета моделирования для оптимизации двусторонних PSC без ETL. Изучая влияние различных материалов на производительность устройства, было отмечено, что некоторые материалы улучшают производительность из-за их специфических свойств. Более того, ширина запрещенной зоны, плотность дефектов и толщина являются важными детерминантами слоя перовскитного поглотителя. Таким образом, эффективность преобразования энергии более 27% была достигнута при оптимизированной конфигурации как для задней, так и для передней подсветки.
