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.

Перовскитные солнечные элементы на основе ETL для гибких устройств
Источник фото: Science Direct

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.

Перовскитные солнечные элементы на основе ETL для гибких устройств: имитационное исследование
Источник фото: Science Direct

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.

Перовскитные солнечные элементы на основе ETL для гибких устройств: имитационное исследование
Источник фото: Science Direct

KAUST представила тандемные солнечные элементы на основе перовскитного кремния с эффективностью 33.7%, отличающиеся стабильностью.

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.

Эффект слоя дырочного транспорта (HTL)
Источник фото: Science Direct

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.

Перовскитные солнечные элементы на основе ETL для гибких устройств: имитационное исследование
Источник фото: Science Direct

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.

Эффект заднего прозрачного электрода (ЗПЭ)
Источник фото: Science Direct

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).

Оптимизация слоя перовскита
Источник фото: Science Direct

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.

Источник : Оптимизация характеристик двухсторонних перовскитных солнечных элементов без слоя переноса электронов для гибких устройств: имитационное исследование.

Share.
mm

Оливия привержена зеленой энергетике и работает над тем, чтобы обеспечить долгосрочную пригодность нашей планеты для жизни. Она принимает участие в сохранении окружающей среды, перерабатывая отходы и избегая одноразового пластика.

Оставить комментарий