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 покрытием методом лезвия, использующие масштабируемую технологию для перовскитов Диона-Джейкобсона (DJ), которые продемонстрировали эффективность преобразования энергии около 19.11% в различных условиях окружающей среды.
Цель исследования – провести систематическое исследование ключевых факторов стабильности в материалах на основе диоксида титана (DJ). Разработать рекомендации по проектированию стабильных перовскитов на основе диоксида титана для создания стабилизированных и эффективных масштабируемых солнечных элементов.
Характеристики сверхстабильных и эффективных солнечных элементов на основе перовскита Диона-Якобсона
Двумерные перовскиты предпочтительнее трехмерных благодаря их желаемым фотофизическим и присущим им структурным свойствам. Перовскит типа DJ с дитопическими диаммониевыми катионами укрепляет связь между неорганическими слоями и повышает жесткость структуры. Это дополнительно повышает его стабильность. Различные исследования перовскитов Раддлсдена-Поппера (RP) и Диона-Джейкобсона (DJ) показывают, что последний менее стабилен в атмосферной среде.
Например , в течение нескольких часов наблюдалась низкая влагостойкость перовскитов DJ на основе 1,4-фенилендиметанаммония и м-фенилендиаммония.
Согласно структурному анализу, эти материалы обладают уникальной конфигурацией квантов межслоевого смещения и квантовых ям , что отличает их от других перовскитов типа DJ. Это приводит к уменьшению межслоевого расстояния, оптимизации переноса заряда и структурной целостности в межслоевом пространстве.
В качестве межслойных катионов использование циклоалкильных органических катионов позволяет сохранить электроотрицательность и гибкость молекул. Это также выгодно по сравнению с алкилцепочечными и арильными органическими катионами . При таком подходе эффективно минимизируется напряжение решетки, что в конечном итоге приводит к общей структурной стабильности.
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% |
По мнению исследователей, наибольшая эффективность нанесения 2D-перовскитов методом ракельного нанесения достигается при использовании CDMA . На следующем рисунке показаны вольт-амперные характеристики (JV) солнечных элементов DJ.
Внешняя квантовая эффективность (EQE)
Исследователи измерили плотность тока короткого замыкания (JSC) устройства с помощью EQE. Устройство PDMA имеет более низкую EQE, чем CDMA. В области поглощения видимого света плотность тока короткого замыкания PDMA составила 17.57 мА·см⁻², а CDMA — 19.58 мА·см⁻² . Эти значения совпали с измеренной плотностью тока короткого замыкания при воздействии солнечного стимулятора.
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 наблюдениям, в пленках перовскита PDMA наблюдалось равномерное распределение зерен . В то время как в CDMA отмечалось заметное увеличение размеров зерен, а также наличие небольших двумерных пластин, покрывающих соответствующие границы зерен. Это, вероятно, связано с самопассивацией интерфейса для обеспечения стабильности. Кроме того, это позволяет проводить спектры поглощения в ультрафиолетовом и видимом диапазоне (УФ-Вид) и рентгенодифракционные измерения покрытия, нанесенного методом ракельного нанесения.
Пленки CDMA имеют относительно меньшую ширину на половине максимума (FWHM) наряду с более высокой интенсивностью дифракционных пиков. Это свидетельствует об улучшенной кристалличности и увеличении размеров зерен в соответствии с уравнением 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 из Гонконгского университета науки и технологий показало, что удаление вогнутостей улучшает стабильность перовскитных пленок.
Характеристика деформации и стабильности из фильмов DJ Perovskite
Исследователи выбрали две глубины для изучения остаточного напряжения в обоих устройствах в соответствии с распределением фаз, показанным методом ТА-характеризации. В материале наблюдалась поверхностная область, характеризующаяся 3D-подобными фазами, и высокая концентрация 2D-перовскитов в более глубокой области. Согласно изображению ниже, дифракция рентгеновских лучей при скользящем падении (GIXRD) пленок перовскита PDMA была проведена относительно кристаллической плоскости 310.
При увеличении Ψ (от 0° до 45°) наблюдалось смещение дифракционных пиков вправо . Это дополнительно указывает на постепенное уменьшение расстояния между кристаллическими плоскостями и на наличие сжимающего напряжения в пленке.
В областях, обогащенных двумерным перовскитом, пленки PDMA демонстрируют сдвиг влево с последующим увеличением значений Ψ. Наблюдалось небольшое отклонение от направления линейной аппроксимации в тенденции изменения. Это указывает на неравномерное распределение двумерных перовскитных фаз, что негативно влияет на стабильность и производительность устройства. Напротив, в пленках CDMA наблюдалось незначительное смещение с увеличением Ψ в обеих областях.
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, превратившись в фазу с широкой запрещенной зоной. В то же время в пленках CDMA после 100 дней хранения наблюдалась замечательная влагостойкость без пиков дифракции примесей.
Кроме того, водостойкость пленок была исследована путем измерения углов смачивания водой на поверхности пленки. CDMA демонстрирует большой угол смачивания водой (51°) , а PDMA — меньший (41°) . Это указывает на высокую водостойкость пленок перовскита CDMA. Динамические кривые угла смачивания, показанные на изображении ниже, подтверждают превосходную устойчивость пленок перовскита CDMA к затоплению водой.
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.
