Verkningsgraden för perovskitsolceller har ökat till cirka 26 %. Storskalig produktion är dock fortfarande en utmaning på grund av traditionella metoder som spinnbeläggning. För att övervinna detta, forskare från Universitetet i Rom Tor Vergata har förfinat bladbeläggningsprocessen för att skapa 12.6 % effektiva solcellsmoduler med stor yta. För detta har de använt ett nickeloxidhålstransportskikt i omgivande luft tillsammans med ett giftfritt lösningsmedel.
Syfte med studien – Att visa framstegen inom storskalig PV-cellproduktion som erbjuder långsiktig stabilitet och effektivitet.
12.6 % effektiva solcellsmoduler för stora områden
För att förbättra enhetligheten hos perovskitfilmen introducerade forskare självmonterade monolager mellan lagren. Som ett resultat moduler med 110 cm2 aktiv yta uppnår 12.6 % effektivitet. Dessutom bibehöll de 84 % av sin ursprungliga effektivitet efter 1,000 85 timmar vid XNUMX°C i luften.
2 huvudarkitekturer baserade på ordningen för laddningstransportmaterial följs för att tillverka perovskitsolceller (PSC):
- Normal (nip)
- Inverterad (stift)
Här visas inverterade PSC:er förbättrad stabilitet och minskat hysteresbeteende. Detta gör dem lämpliga för potentiell kommersialisering. För framställning av kompakt nickeloxid i solceller med stor yta används olika deponeringsmetoder, vilka klassificeras i utskrivbara och icke-utskrivbara metoder.
Trots att utskrivbara avsättningstekniker erbjuder olika fördelar finns det ett stort gap mellan småskaliga och storskaliga utskrivbara NiOx-baserade PSC:er. Till exempel att flytta till omgivande luftdeponerade PSC:er effektiviteten sjönk till 20.7 % i småskalighet och 10.34 % för stora moduler med 3.7 cm2 aktiv yta.
Förfaranden som antagits i studien
Forskare etablerade en procedur för att skriva ut NiOx över 15 cm gånger 15 cm substrat utan spinnbeläggning. Moduler med 110 cm2 aktiv yta gjordes med schaberblad NiOx/MeO-2PACz/perovskite och termisk avdunstning. Ytterligare genom att optimera NiOx-bläcket och lägga till ett självmonterat monolager, uppnådde den bästa modulen cirka 12.6 % PCE.
Som ett resultat observerade forskarna att dessa moduler överträffade tidigare PV-moduler för stora ytor vad gäller stabilitet, effektivitet och prestanda.
Resultat och diskussion: NiOx Filmtjocklek och enhetlighetsoptimering
Efter att NiOx-filmen har deponerats genom schaber med NiCl2·6H2O-lösning på ITO-substrat under omgivande förhållanden. Sedan bifogades dessa filmer vid 300°C för att hjälpa till sönderdelning och oxidation. Sedan användes atmosfäriskt syre för att skapa NiOx-filmen.
Forskare deponerade 4 koncentrationer på glas/ITO-substrat, vilket är en referenslösning vid 0.15 M, tillsammans med 0.075 M (1:1 spädning), 0.050 M (1:2 spädning) och 0.037 M (1:3 spädning). Filmtjockleken uppmätt med ellipsometri var mer än 140 gånger 140 mm.
Variationen i filmtjocklek beror på ojämn schaber, som förbättrades med högre lösningsmedelsförhållanden. Emellertid minskade filmtjockleken och viskositeten med utspädning. Sålunda minskade tjockleken när prekursorkoncentrationen späddes ut, vilket resulterade i: 42.2 nm (0.075 M), 40.0 nm (0.05 M) och 36.2 nm (0.037 M).
Följande figur visar resultaten av röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) och röntgenreflektometri (XRR). Båda testerna användes för att bedöma NiOx-oxidationen.
- XPS-spektra visar att i området 850-860 eV motsvarade 4 toppar Ni, NiO (Ni2+), NiOH (Ni3+) och NiXNUMXOXNUMX (NiXNUMX+).
- Indikerade bindningsenergier på cirka 852.0, 853.5, 855 och 856 eV var bundna av Gaussiska passningar. Detta överensstämmer med litteraturens värderingar.
- En dominerande NiO-topp indikerar en starkt oxiderad film. De anses lämpliga för applikationer som håltransportlager i PSC.
- Med 1:1-koncentrationer är det fortfarande framträdande men en ökning av Ni- och Ni203-bidrag märktes också. Detta tyder vidare på att det fanns en minskning av oxidationseffektiviteten.
- Med 1:2-koncentrationer och bättre oxidation från tunnare filmer visar högre Ni203 mer Ni³⁺.
- Ytterligare utspädning till koncentrationer 1:3 visar en ökning av Ni203 i förhållande till NiO. Detta tyder på ojämnhet i filmtjocklek och oxidation.
Sammantaget fann forskare att minskad prekursorkoncentration korrelerar med ökad nickeloxidkomplexitet och högre oxidationstillstånd. Men lägre NiO-bidrag minskar med mindre prekursor.
Ta reda på mer om ETL-baserade bifacial perovskite solceller för flexibla enheter: en simuleringsstudie
Resultat av XRR-mätning
Inga Kiessig-fransar märktes när XRR-mätningar undersökte elektrondensitet på NiOx-avsatta substrat. Kritiska vinklar korrelerar med spridningsvolym som visar följande:
- Enhetlighet på grund av låg spridning
- Heterogenitet på grund av hög spridning
Det fanns en uppåtgående förskjutning i elektrondensitet med minskad prekursorkoncentration. Detta indikerar tydligt att tätare filmer med högre utspädning är möjliga på grund av bättre oxidation eller komprimering under glödgning. Tunnare filmer visar förbättringar i PV-solcellsprestanda eftersom de fortfarande uppvisar förbättrade egenskaper.
Observationer
- Det mest homogena är referensprovet och 1:2 koncentrerad NiOx-deposition.
- Mindre enhetlig film noterades i koncentrationen 1:3.
- Gränssnitt eller ytjämnhet uppskattades med Fresnel Reflectivity. För referensprov och koncentration 1:2 var den cirka 4.5 (5) nm. Detta värde förblir konstant över alla mönster.
- Spridning av högre råhet noterades i prover erhållna från 1:1 och 1:3 koncentrationsplattor. Värdena för 1:1 XRR-profilen sträcker sig från 2.5 (5) nm till cirka 4.5 (5) nm. För 1:3 XRR-profilen är den cirka 4.5 (5) nm till cirka 7.0 (5) nm.
Interface Engineering och Perovskite Film Morfologi
Denna utforskning av perovskitsolmoduler fokuserade på perovskitskiktsavsättningen, med utgångspunkt i tidigare arbete med en tvåstegs bladbeläggningsmetod använda giftfria lösningsmedel. Vi utvecklade en dubbelkatjonperovskit (Cs0.15FA0.85PbI3−xBrx) genom optimerade parametrar och tillsatser för att förbättra filmkvaliteten. Tvåstegsavsättningen involverar användning av PbI2-(FAI)0.3-(CsI)0.15 i DMSO följt av FAI/FABr i isopropylalkohol, med fyra torkmetoder föreslagna. Denna studie testade dessa tekniker på styva substrat och producerade högkvalitativa filmer på 15 cm × 15 cm substrat, vilket banade väg för en universell grön perovskitformulering för olika enheter och substrat.
Genom SEM-bilder blev det tydligt att vissa defekter orsakades på PV-filmen av det icke-optimerade NiOx-skiktet (0.15 M). Defekter inkluderar nålhål och synliga stänger som främst berodde på ojämn deponering. Å andra sidan observerades färre defekter i det optimerade NiOx-skiktet (0.05 M), som mindre partiklar och färre pinholes.
Andra studier visar följande:
- Resultaten i det optimerade lagret var dock bättre än tidigare men förekomsten av pinholes fortsatte. Detta indikerar en stor utmaning relaterad till vidhäftningsproblem mellan NiOx-filmen och PV-prekursorbläck.
- UV-ozon och plasma konventionella ytbehandlingar har en negativ effekt på NiOx-filmen. Detta förvärrar gränssnittsproblemen, som bildandet av överskott av Pbl2. Detta kan fungera som en hålextraktionsbarriär, minska öppen kretsspänning av anordningen.
- Dessutom låg ledningsförmåga hos NiO kan vara skadligt för perovskitsolcellernas prestanda.
För att undvika alla dessa problem och förbättra ovanstående situationer använde forskare ett självmonterat monolager (SAM) av MeO-2PACz vid HTL/perovskite-gränssnittet.
I ett annat försök upptäckte forskare Ultrastabila 2D Dion-Jacobson perovskites uppnår 19.11 % effektivitet.
Observationer
- SEM-bilden av perovskitfilmen bekräftar effektiviteten av de använda metoderna: SAM-skikt.
- Perovskitfilmerna var mycket enhetliga och det fanns inga nålhål.
- Ellipsometritjocklekskartan visar att den genomsnittliga filmtjockleken som uppnåddes var 570 mm, vilket också stödde enhetligheten.
- På grund av rakelprocessen finns det en gradient med en starttjocklek på 700 nm. Mot slutet av beläggningen är det också en liten minskning av det.
- Emellertid uppnåddes enhetlighet genom att använda SAM-skiktet och vidhäftningsproblem åtgärdades med detsamma. Resultatet blev stabila och industriklara perovskite solcellsmoduler.
Moduler och långtidsstabilitet på 12.6 % effektiva solcellsmoduler för stora områden
Slutligen gjordes den framgångsrika monteringen av perovskite-solmodulen genom förångning av C60/BCP som elektrontransportskiktet (ETL). Sedan gjordes P2-laserritningen och efterföljande avdunstning av kopparelektroden. Därefter avslutades processen med P3-skrivning. Egenskaperna för PV-modulen med 22 seriekopplade celler är som följer:
- Effektivitet – 12.6 %
- Kortslutningsström (ISC) – 98.13 mA
- Fyllningsfaktor – 63.49 %
- Öppen kretsspänning (VOC) – 22.3 V
- Hysteresindex för nästan enhet – 1.02
En anmärkningsvärd överensstämmelse i prestanda mellan framåt- och bakåtmätningsskanningar visas dock av hysteresindexet nära enhet. Detta framhäver den tillförlitliga driften av perovskitemodulen.
Slutsats
Sammanfattningsvis främjar denna forskning skalbarheten hos de 12.6 % effektiva solcellsmodulerna med stor yta för kommersiellt bruk. Genom att använda schaberbladen blev det möjligt att skapa en storarea PSC-modul med NiOx HTL. Slutresultatet var en icke-toxisk perovskitformulering. Och slutligen visar PSC:erna med förbättrad stabilitet och prestanda sin potential för framtida optimering och kommersiella tillämpningar.
