Förutom effektivitet har stabilitet varit ett långvarigt bekymmer för perovskite PV och deras praktiska tillämpningar. Hittills är sådana stabila material för solceller och data om dem otillräckliga och forskare prövar olika material för att få bättre insikt. I denna forskningsstudie testas de ultrastabila och effektiva Dion-Jacobson perovskite solcellerna för solcellsapplikationer.
Teamet har framgångsrikt designat bladbelagda solceller med skalbar teknologi för Dion-Jacobson (DJ) perovskites som uppvisade cirka 19.11 % effektomvandlingseffektivitet under olika miljöförhållanden.
Syftet med studien – Att utföra systematisk forskning om nyckelfaktorer för stabilitet i DJ-material. För att hitta riktlinjerna för att designa stabila DJ-perovskites för stabiliserade och effektiva skalbara solceller.
Prestanda av ultrastabila och effektiva Dion-Jacobson Perovskite solceller
2D perovskites har föredragits framför 3D på grund av deras önskvärda fotofysiska och inneboende strukturella egenskaper. Perovskit av DJ-typ med ditopiska diammoniumkatjoner stärker kopplingen mellan oorganiska skikt och ökar strukturens styvhet. Detta förbättrar dess stabilitet ytterligare. Olika studier på Ruddlesden−Popper (RP) och Dion-Jacobson (DJ) perovskites visar att den senare är mindre stabil i atmosfären.
Till exempelDålig fuktstabilitet sågs inom några timmar i de 1,4-fenylendimetanammonium- och m-fenylendiammoniumbaserade DJ-perovskiterna.
Enligt strukturanalysen har dessa material en unik interlayer-displacement quantum och brunnskonfiguration, vilket skiljer dem från andra DJ-perovskites. Detta leder till mindre avstånd mellan skikten och optimerad laddningstransport och strukturell integritet i mellanskiktet.
För mellanskiktskatjoner bevarar användning av organiska cykloalkylkatjoner molekylernas elektronegativitet och flexibilitet. Det är det också fördelaktig jämfört med alkylkedje- och arylorganiska katjoner. Gitterspänningen minimeras effektivt i detta tillvägagångssätt, vilket i slutändan leder till övergripande strukturell stabilitet.
Höjdpunkter
- Introduktion av en ny serie DJ (CDMA 1, 4-cyklohexandimetanammonium, n≥1) (MA)n-1Pbn3n+1 för stabila och effektiva solceller.
- Dessa oinkapslade celler behöll 92 % av sin effektivitet i mer än 4000 timmar under åldrandeförhållanden för ~90 % relativ fuktighet (RH).
- Dessa celler visar driftstabilitet och 85°C termisk stabilitet.
- Ingen effektivitet förlorad efter 5000 timmars behandling.
- Ingen effektivitetsförlust efter drift vid 45°C maximal effektpunkt (MPPT) i 6000+ timmar under kontinuerligt ljus (100 mW cm-2).
Forskningens process
Skalbar bladbeläggningsteknik användes för att demonstrera potentialen hos DJ-perovskites för storskaliga solceller. Referenssolcellerna använde den nominella n=5 PDMA DJ-perovskiten. Dessa är kända för att förbättra enhetens stabilitet och har liknande organiska molekylära konfigurationer.
| Cellernas egenskaper | Referensenhet | Nominell enhet n = 5 CDMA-baserade perovskitsolceller |
| PCE | 14.87% | 19.11% |
| Öppen kretsspänning (VOC) | 1.06 V | 1.16 V |
| Kortslutningsströmdensitet (JSC) | 18.32 mA cm−2 | 20.41 mA cm−2 |
| Fyllningsfaktor | 76.46% | 80.56% |
Ocuco-landskapet högsta effektiviteten för bladbeläggning 2D perovskites är PCE för CDMA, enligt forskarna. Följande figur visar kurvorna för strömdensitet-spänning (JV) för DJ-solcellerna.
Extern kvanteffektivitet (EQE)
Forskare mätte kortslutningsströmtätheten (JSC) för enheten med EQE. PDMA-enheten har lägre EQE än CDMA. Över området för absorption av synligt ljus, JSC för PDMA var 17.57 och CDMA var 19.58 mA cm-2. Dessa värden matchade den uppmätta JSC under solstimulatorn.
Solcellernas stabilitet under olika förhållanden
Vidare studerade forskarna stabiliteten hos dessa celler under värme, lätt stress och fukt.
Lätt stress
Dess driftsstabilitet kontrollerades under ett handskfack med kväveatmosfär med hjälp av en MPPT-spårning under en simulerad 1-solvit LED (ljusemitterande diod). Testet vid cirka 45°C för 6000+ timmars åldring utan en nedåtgående trend.
- PDMA – PCE minskat med cirka 30 %.
- CDMA – Lite fluktuationer kring deras initiala effektivitet.
Värme
Solcellernas termiska stabilitet kontrollerades på en kokplatta vid 85°C.
- PDMA – 50 % minskning av initial effektivitet.
- CDMA – Försumbar effektivitet även efter 5000 timmar.
Detta verifierar den överlägsna termiska toleransen för CDMA-perovskitceller.
Fukt
De oinkapslade solcellerna förvarades i en kammare med konstant temperatur luftfuktighet, runt ~90% RH vid ~22°C. Detta orsakar följande effekter på båda enheterna.
- PDMA – Snabb minskning av PCE till noll efter 500 timmars åldrande.
- CDMA – Visar ungefär 92 % initial effektivitet efter 4394 timmars åldring.
Genom att jämföra de åldrade enheterna finner vi att det aktiva lagret av de PDMA-baserade enheterna har blivit färglöst, medan den CDMA-baserade enheten inte visar någon synlig missfärgning. Detta bekräftar att CDMA DJ-perovskites har hög luftfuktighetstolerans. Enligt den konsoliderade bilden som visas nedan är CDMA-serien den bästa mellan 2D och 3D perovskite solceller, enligt forskarna.
Forskare från Soochow University ökar strategiskt effektiviteten i organiska solceller.
Enhetens egenskaper
Karakterisering av enheten
Följande figur visar en statistisk fördelning av den beräknade hysteresfaktorn. Det mättes från PCE för PDMA- och CDMA-solceller. Detta indikerar relativt lägre och stabil distribuerad hysteres i CDMA vilket skulle kunna bidra till att producera stabila och skalbara solceller för praktiska tillämpningar.
Karakterisering av Perovskite-filmerna
Forskarna använde Top-view scanning elektronmikroskopi (SEM) för att studera morfologin hos perovskitfilmer.
Enligt observationen fanns det en enhetlig kornfördelning i PDMA perovskite filmer. Medan CDMA har en distinkt förstoring av kornstorlekar tillsammans med några små 2D-skivor som täcker motsvarande korngränser. Detta innebär möjligen självpassivering av gränssnittet för att säkerställa stabilitet. Dessutom hjälper det till att möjliggöra ultraviolett-synliga (UV-Vis) absorptionsspektra och XRD-mätningar av bladbeläggningen.
CDMA-filmer har en relativt smalare full bredd vid halva maximum (FWHM) tillsammans med den starkare intensiteten hos diffraktionstopparna. Detta tyder på förbättrad kristallinitet och förstorade kornstorlekar enligt Scherrers ekvation.
Enligt UV-Vis-absorptionsspektra har båda DJ-perovskite-filmerna 2D-fasfördelningar. CDMA har dock hög intensitet, vilket tyder på riklig 2D-fasfördelning, vilket är fördelaktigt för dess kortvågsabsorption och filmstabilitet.
Observation av betesincidens vidvinkelröntgenspridning (GIWAXS) visar att CDMA har relativt starka och diskreta Bragg-fläckar. Detta indikerar dess bättre kristallisation som gynnar laddningstransporten.
En forskning från HKUST-forskare avslutar avlägsnande av konkaviteter förbättrar stabiliteten i perovskitfilmer
Karakterisering av töjning och stabilitet av DJ Perovskite Films
Forskare utvalda 2 djup för att undersöka den kvarvarande töjningen i båda enheterna enligt fasfördelningen som visas av TA-karakteriseringen. Ett ytligt område kännetecknat av 3D-liknande faser och en hög koncentration av 2D perovskiter i ett djupare område observerades i materialet. Enligt bilden nedan är betesinfallande röntgendiffraktion (GIXRD) av PDMA perovskitfilmer var i förhållande till 310 kristallplanet.
Det var en högerförskjutning i diffraktionstoppar med ökningen av Ψ (0° till 45°). Detta visar vidare en gradvis minskning av kristallplansavståndet och att det finns en tryckpåkänning på filmen.
I 2D-perovskitrika regioner, PDMA-filmer visar vänster skift följt av en ökning av Ψ-värden. Det fanns en liten avvikelse från den linjära passningsriktningen i variationstrenden. Detta tyder på en ojämn fördelning av 2D-perovskitfaser som negativt påverkar enhetens stabilitet och prestanda. Tvärtom, i CDMA-filmer, försumbar förskjutning med en ökning på Ψ i båda regionerna var uppenbar.
Resultaten var konsekventa efter beräkning av kvarvarande stam via Williamson-Hall-diagram. Detta tyder på att DJ perovskite är nästan resterande stamfri och denna kvalitet bidrar till dess stabilitet.
Efter att ha lagrats i en månad omvandlades den svarta fasen av filmen fullständigt och bröts ner till en fas med bred bandgap. Medan i CDMA-filmer, efter 100 dagars lagring, anmärkningsvärt fuktstabilitet utan föroreningsdiffraktionstoppar noterades.
Dessutom undersöktes filmernas vattenbeständighet genom att mäta vattenkontaktvinklar på filmytan. CDMA visar en stor vattenkontaktvinkel (51°) och PDMA har mindre vinklar (41°). Detta indikerar hög vattenbeständighet hos CDMA-perovskitfilmer. De dynamiska kontaktvinkelkurvorna som visas i bilden nedan bekräftar det utmärkta vattenloggningsmotståndet hos CDMA-perovskitfilmer.
Slutsats
Som ett resultat upptäckte forskare att inkorporering av flexibla organiska katjoner i mellanskiktsförskjutningen kan förbättra den strukturella stabiliteten hos DJ-perovskitkonfigurationen. Baserat på detta designade forskare en serie DJ-perovskites med mellanskiktsförskjutning. Vidare applicerades materialen på bladbeläggningsprocessen. Efter detta uppnåddes högre effektivitet och stabilitet. Dessutom, i åldringstester, var det också minimal nedbrytning i enheten.
Sammantaget drar forskarna slutsatsen att den nyutvecklade serien har potential att konstruera stabila 2D-perovskiter som kan användas för olika applikationer.
Källa: Ultrastabila och effektiva 2D Dion-Jacobson perovskite solceller med lätt mellanskiktsförskjutning
