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 (PCE) перовскитного элемента значительно улучшилась . Это стало возможным благодаря структуре, напоминающей колодец, с небольшим смещением зоны проводимости (CBO) на границе раздела FTE/перовскит. Однако наблюдалось снижение производительности из-за сдвига валентной зоны слоя переноса дырок (HTL) вверх.
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 за десятилетие выросла с 3.8% до 26.1% . Таким образом, органические-неорганические металлогалогенидные перовскитные солнечные элементы в последнее время привлекают к себе большое внимание.
Однако разработка гибких перовскитных солнечных элементов задерживается из-за высокой температуры спекания электронно-транспортного слоя (ЭТС). В инвертированных перовскитных солнечных элементах исследователи в основном использовали метиловый эфир [6,6]-фенил-C61-масляной кислоты (PCBM) в качестве ЭТС для повышения их эффективности. Поскольку PCBM являются дорогостоящими, их использование в устройстве увеличивает общую стоимость устройства.
Затем исследователи попробовали использовать солнечные элементы без слоя переноса электронов (ETL-free PSCs) , которые оказались наиболее перспективными и приемлемыми устройствами. Такой подход отличается простой конфигурацией и исключает сложную подготовку, что сокращает время и энергозатраты.
Интересный факт : Лю и соавторы разработали первый ПХЭ с содержанием 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-процесса.
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.
Благодаря установке прозрачных электродов свет может поступать в систему с обоих концов. Таким образом, двусторонние солнечные панели потенциально могут достичь более чем на 30% более высокой эффективности преобразования энергии по сравнению с односторонними панелями. Однако на это влияют различные факторы, 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, можно создать эффективные и универсальные устройства для сбора солнечной энергии.
Области применения гибких двусторонних фотоэлектрических элементов 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.
Исследователи, изучая гибкие солнечные элементы с различными электродами, межфазными дефектными слоями и слоями переноса дырок, обнаружили выравнивание зон и потенциальные барьеры для улучшения общей производительности. Более того, они достигли эффективности более 27% в различных условиях, оптимизировав ширину 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 солнечных элементах без слоя переноса электронов (ETL) электрод из оксида железа (FTE) должен быть спроектирован с высокой прозрачностью и улучшенным выравниванием зон для эффективного переноса заряда. Исследователи изучили различные типы FTE, такие как легированный цирконием In2O3 (Zr:In2O3), ITO, легированный алюминием ZnO (Al:ZnO) и пассивированный/модифицированный FTO (PFTO). При более низких температурах эти электроды легко наносятся 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
В процессе термического отжига выявляются дефекты на границе раздела фаз. Эти дефекты усиливаются, если на границе раздела фаз отсутствуют кислородные вакансии, наблюдается несоответствие кристаллической решетки и стехиометрический состав. В исследовании рассматриваются 3 типа дефектов на границе раздела фаз, упомянутых ниже :
- 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)
Этот электрод играет важную роль в определении общей производительности двухсторонних перовскитных солнечных элементов . Двумя основными факторами, влияющими на производительность двухсторонних солнечных элементов, являются сродство к электронам и ширина запрещенной зоны. Двухсторонние перовскитные солнечные элементы имеют более низкую эффективность преобразования энергии (PCE) по сравнению с односторонними аналогами, что существенно влияет на коэффициент переноса заряда (RTE). При увеличении значения ширины запрещенной зоны RTE наблюдается изменение отрицательного значения на положительное в валентном электронном барьере (VBO) на границе раздела HTL/RTE.
При обоих условиях освещения устройство демонстрирует максимальную эффективность преобразования энергии (PCE) при VBO +0.29 эВ (ширина запрещенной зоны ~2.4 эВ). Когда сродство к электронам составляет 3.3 эВ для обоих типов освещения при VBO +0.13 эВ в HTL/RTE, характеристики устройства улучшаются.
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 был представлен тандемный солнечный модуль на основе перовскита и кремния от компании PeroNova с КПД 28% .
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 в поглощающем слое перовскита была снижена с 8.0 × 10^14 см−3 до 1.0 × 10^14 см−3 . Это привело к увеличению КПД устройства до 26.27% и 26.45% при фронтальном и тыльном освещении соответственно.
Более того, после оптимизации толщины поглощающего слоя до 800 нм и последующего уменьшения плотности дефектов до 1.0 × 10¹⁴ см⁻³ , эффективность преобразования энергии устройства увеличилась до 26.88% (при фронтальном освещении) и 27.35% (при тыльном освещении).
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.
