Помимо эффективности, стабильность была давней проблемой для перовскитных фотоэлектрических элементов и их практического применения. На сегодняшний день таких стабильных материалов для фотоэлектричества и данных о них недостаточно, и исследователи пробуют разные материалы, чтобы получить более полное представление. В этом исследовании тестируются сверхстабильные и эффективные перовскитные солнечные элементы Диона-Якобсона для фотоэлектрических применений.
Команда успешно разработала солнечные элементы с лезвийным покрытием с масштабируемой технологией для перовскитов Диона-Якобсона (DJ), которые продемонстрировали эффективность преобразования энергии около 19.11% в различных условиях окружающей среды.
Цель исследования – Провести систематическое исследование ключевых факторов стабильности DJ-материалов. Найти руководящие принципы для проектирования стабильных DJ-перовскитов для стабилизированных и эффективных масштабируемых солнечных элементов.
Характеристики сверхстабильных и эффективных солнечных элементов на основе перовскита Диона-Якобсона
Двумерные перовскиты были предпочтительнее трехмерных из-за их желаемых фотофизических и присущих структурных свойств. Перовскит типа DJ с дитопными катионами диаммония усиливает связь между неорганическими слоями и увеличивает жесткость структуры. Это еще больше повышает ее стабильность. Различные исследования на перовскитах Раддлсдена-Поппера (РП) и Дайона-Якобсона (ДЯ) показано, что последний менее стабилен в атмосферной среде.
Напримерв течение нескольких часов наблюдалась плохая влагостойкость перовскитов DJ на основе 1,4-фенилендиметанаммония и м-фенилендиаммония.
Согласно структурному анализу, эти материалы имеют уникальная конфигурация квантовых и ямных смещений между слоями, что отличает их от других DJ перовскитов. Это приводит к меньшему межслоевому расстоянию и оптимизированному переносу заряда и структурной целостности в межслое.
Для межслойных катионов использование циклоалкилорганических катионов сохраняет электроотрицательность и гибкость молекул. Также выгоднее, чем алкильные и арильные органические катионы. При таком подходе напряжение решетки эффективно минимизируется, что в конечном итоге приводит к общей структурной устойчивости.
Основные моменты:
- Внедрение новой серии DJ (CDMA 1, 4-циклогександиметанаммоний, n≥1) (MA)n-1Pbn3n+1 для стабильных и эффективных солнечных элементов.
- Эти неинкапсулированные элементы сохранили 92% своей эффективности в течение более 4000 часов в условиях старения при относительной влажности воздуха около 90%.
- Эти элементы демонстрируют эксплуатационную и термическую стабильность при 85°C.
- Никакой потери эффективности после 5000 часов обработки.
- Отсутствие потери эффективности после работы при температуре максимальной мощности 45° C (MPPT) в течение более 6000 часов при непрерывном освещении (100 мВт см-2).
Процесс исследования
Методика нанесения покрытия на масштабируемые лезвия использовалась для демонстрации потенциала DJ перовскитов для крупномасштабных солнечных элементов. В эталонных солнечных элементах использовался номинальный DJ перовскит PDMA n=5. Они известны тем, что повышают стабильность устройства и имеют схожие органические молекулярные конфигурации.
| Свойства клеток | Справочное устройство | Номинальное устройство n = 5 Перовскитные солнечные элементы на основе CDMA |
| PCE | 14.87%. | 19.11%. |
| Напряжение холостого хода (VOC) | 1.06 В | 1.16 В |
| Плотность тока короткого замыкания (ПТК) | 18.32 мА см−2 | 20.41 мА см−2 |
| Коэффициент заполнения | 76.46%. | 80.56%. |
наивысшая эффективность для покрытия лезвий 2D перовскитами является PCE CDMA, по мнению исследователей. На следующем рисунке показаны кривые плотности тока-напряжения (JV) солнечных элементов DJ.
Внешняя квантовая эффективность (EQE)
Исследователи измерили плотность тока короткого замыкания (JSC) устройства с EQE. Устройство PDMA имеет более низкий EQE, чем CDMA. В области поглощения видимого света JSC PDMA был 17.57 и CDMA был 19.58 мА см-2. Эти значения соответствовали измеренным значениям АО под солнечным стимулятором.
Стабильность солнечных элементов в различных условиях
Далее исследователи изучили устойчивость этих клеток к воздействию тепла, света и влаги.
Легкое напряжение
Его эксплуатационная стабильность была проверена в азотной атмосфере перчаточного бокса с использованием MPPT-трекинга под имитированным 1-солнечным белым светодиодом (светоизлучающий диод). Тест при температуре около 45° C в течение 6000+ часов старения без тенденции к снижению.
- УПЧС – PCE снизился примерно на 30%.
- CDMA – Небольшие колебания относительно их первоначальной эффективности.
зной
Термическая стабильность солнечных элементов проверялась на плитке при температуре 85°С.
- УПЧС – 50% снижение первоначальной эффективности.
- CDMA – Незначительная эффективность даже после 5000 часов.
Это подтверждает превосходную термостойкость перовскитных ячеек CDMA.
Влажность
Негерметичные солнечные элементы хранились в камере с постоянной температурой и влажностью, около ~90% относительной влажности при ~22° C. Это приводит к следующим эффектам на обоих устройствах.
- УПЧС – Быстрое снижение PCE до нуля после 500 часов старения.
- CDMA – Демонстрирует начальную эффективность около 92% после 4394 часов старения.
Сравнивая старые устройства, мы обнаружили, что активный слой устройств на основе PDMA стал бесцветным, в то время как устройство на основе CDMA не показывает видимого обесцвечивания. Это подтверждает, что перовскиты CDMA DJ обладают высокой устойчивостью к влажности. Согласно консолидированному изображению, показанному ниже, серия CDMA является лучшей между солнечными элементами на основе 2D и 3D перовскита, по мнению исследователей.
Характеристики устройства
Характеристика устройства
На следующем рисунке показано статистическое распределение рассчитанного фактора гистерезиса. Он был измерен по PCE солнечных элементов PDMA и CDMA. Это указывает на относительно более низкий и стабильный распределенный гистерезис в CDMA, что может способствовать производству стабильных и масштабируемых солнечных элементов для практических применений.
Характеристика пленок перовскита
Для изучения морфологии пленок перовскита исследователи использовали сканирующую электронную микроскопию (СЭМ) с видом сверху.
Согласно наблюдению, было равномерное распределение зерна в PDMA Перовскитные пленки. В то время как CDMA имеет отчетливое увеличение размеров зерен вместе с некоторыми небольшими 2D-пластинами, покрывающими соответствующие границы зерен. Это, возможно, подразумевает самопассивацию интерфейса для обеспечения стабильности. Кроме того, это помогает обеспечить спектры поглощения в ультрафиолетовом и видимом диапазонах (UV-Vis) и измерения рентгеновской дифракции покрытия лезвия.
Пленки CDMA имеют относительно меньшую полную ширину на уровне половины максимума (FWHM) вместе с более сильной интенсивностью дифракционных пиков. Это предполагает улучшенную кристалличность и увеличенные размеры зерен согласно Уравнение Шеррера.
Согласно спектрам поглощения UV-Vis, обе пленки DJ перовскита имеют 2D-распределение фаз. Однако CDMA имеет высокую интенсивность, предполагающую обильное 2D-распределение фаз, что выгодно для его коротковолнового поглощения и стабильности пленки.
Наблюдение методом широкоугольного рентгеновского рассеяния скользящего падения (GIWAXS) показывает, что CDMA имеет относительно сильные и дискретные пятна Брэгга. Это указывает на его лучшую кристаллизацию, что благоприятствует переносу заряда.
Исследование ученых HKUST пришло к выводу удаление вогнутостей улучшает стабильность перовскитных пленок
Характеристика деформации и стабильности из фильмов DJ Perovskite
Исследователи выбрали 2 глубины для исследования остаточной деформации в обоих устройствах в соответствии с распределением фаз, показанным характеристикой TA. В материале наблюдалась поверхностная область, характеризующаяся 3D-подобными фазами, и высокая концентрация 2D перовскитов в более глубокой области. Согласно изображению ниже, дифракция рентгеновских лучей скользящего падения (GIXRD) пленок перовскита PDMA была относительно кристаллической плоскости 310.
Был сдвиг вправо дифракционных пиков с увеличением Ψ (от 0° до 45°). Это дополнительно показывает постепенное уменьшение расстояния кристаллической плоскости и то, что на пленке присутствует сжимающая деформация.
В двумерных областях, богатых перовскитом, Пленки PDMA показывают левое направление сдвиг сопровождался увеличением значений Ψ. Было небольшое отклонение от линейного направления подгонки в тенденции изменения. Это говорит о неравномерном распределении фаз 2D перовскита, что отрицательно влияет на стабильность и производительность устройства. Напротив, в CDMA-пленки, незначительное смещение при этом наблюдалось увеличение Ψ в обоих регионах.
Результаты были согласованы после расчета остаточной деформации с помощью диаграмм Уильямсона-Холла. Это говорит о том, что DJ перовскит практически не имеет остаточной деформации, и это качество способствует его стабильности.
После хранения в течение месяца черная фаза пленки полностью преобразовалась и разложилась в фазу с широкой запрещенной зоной. В то время как в пленках CDMA после 100 дней хранения наблюдалось замечательное отмечена влагостойкость без пиков дифракции примесей.
Кроме того, водостойкость пленок была исследована путем измерения углов контакта воды с поверхностью пленки. CDMA проявляет большой угол контакта с водой (51°) и PDMA имеет меньшие углы (41°). Это указывает на высокую водостойкость пленок перовскита CDMA. Динамические кривые угла контакта, показанные на рисунке ниже, подтверждают отличную водостойкость пленок перовскита CDMA.
Заключение
В результате исследователи обнаружили, что включение гибких органических катионов в межслойное смещение может улучшить структурную стабильность конфигурации DJ перовскита. На основе этого исследователи разработали серию DJ перовскитов с межслойным смещением. Далее материалы были применены в процессе покрытия лезвий. После этого были достигнуты более высокая эффективность и стабильность. Более того, в испытаниях на старение также наблюдалась минимальная деградация устройства.
В целом исследователи пришли к выводу, что новая разработанная серия обладает потенциалом для создания стабильных двумерных перовскитов, которые можно использовать в различных областях.
