Perovskit güneş hücrelerinin verimliliği yaklaşık %26'ya yükseldi. Ancak, spin kaplama gibi geleneksel yöntemler nedeniyle büyük ölçekli üretim hala bir zorluktur. Bunu aşmak için, Roma Tor Vergata Üniversitesi %12.6 verimli geniş alanlı PV güneş modülleri oluşturmak için bıçak kaplama sürecini iyileştirdiler. Bunun için, toksik olmayan bir çözücüyle birlikte ortam havasında bir nikel oksit delik taşıma katmanı kullandılar.
Çalışmanın amacı – Uzun vadeli istikrar ve verimlilik sunan büyük ölçekli PV hücre üretimindeki ilerlemeyi göstermek.
%12.6 Verimli Geniş Alanlı PV Güneş Modülleri
Perovskit filminin düzgünlüğünü artırmak için araştırmacılar, katmanlar arasına kendiliğinden birleşen monokatmanlar yerleştirdiler. Sonuç olarak, 110 cm2 aktif alana sahip modüller %12.6 verimlilik elde ediyorÜstelik 84°C havada 1,000 saat sonra başlangıç verimliliklerinin %85'ünü korudular.
Perovskit güneş pilleri (PSC'ler) üretmek için yük taşıma malzemelerinin sırasına dayalı 2 ana mimari izlenir:
- Normal (kısa)
- Ters (pin)
Burada, ters PSC'ler gösteriliyor geliştirilmiş stabilite ve azaltılmış histerezis davranışı. Bu, onları potansiyel ticarileştirme için uygun hale getirir. Geniş alanlı PV güneş hücrelerinde kompakt nikel oksit üretmek için, yazdırılabilir ve yazdırılamaz yöntemler olarak sınıflandırılan farklı biriktirme yöntemleri kullanılır.
Yazdırılabilir biriktirme tekniklerinin çeşitli faydalar sunmasına rağmen, küçük ölçekli ve büyük ölçekli yazdırılabilir NiOx tabanlı PSC'ler arasında önemli bir boşluk vardır. Örneğin, ortam havasında biriken PSC'ler Küçük ölçekli modüllerde verimlilik %20.7'ye, 10.34 cm3.7 aktif alana sahip büyük modüllerde ise %2'e düştü.
Çalışmada benimsenen prosedürler
Araştırmacılar, spin kaplama adımı olmadan 15 cm x 15 cm alt tabakalar üzerine NiOx basmak için bir prosedür oluşturdular. 110 cm2 aktif alana sahip modüller, doktor bıçağı NiOx/MeO-2PACz/perovskit ve termal buharlaştırma ile yapıldı. Ayrıca NiOx mürekkebini optimize ederek ve kendiliğinden birleşen bir monokatman ekleyerek en iyi modül yaklaşık %12.6 PCE elde etti.
Araştırmacılar, bu modüllerin kararlılık, verimlilik ve performans açısından önceki geniş alanlı PV modüllerinden daha iyi performans gösterdiğini gözlemlediler.
Sonuçlar ve Tartışma: NiOx Film Kalınlığı ve Tekdüzelik Optimizasyonu
NiCl2·6H2O çözeltisinde NiOx filmi, ortam koşullarında ITO alt tabakalarına doktor bıçağıyla yerleştirdikten sonra. Daha sonra bu filmler, yardımcı olmak için 300° C'de eklendi. ayrışma ve oksidasyonDaha sonra atmosferik oksijen kullanılarak NiOx filmi oluşturuldu.
Araştırmacılar, 4 M'de bir referans çözeltisi olan cam/ITO alt tabakalarına 0.15 konsantrasyon, 0.075 M (1:1 seyreltme), 0.050 M (1:2 seyreltme) ve 0.037 M (1:3 seyreltme) ile birlikte biriktirdiler. Elipsometri kullanılarak ölçülen film kalınlığı 140 x 140 mm'den fazlaydı.
Film kalınlığındaki değişiklik, daha yüksek çözücü oranlarıyla iyileşen, tekdüze olmayan doktor bıçağından kaynaklanmaktadır. Ancak, film kalınlığı ve viskozite seyreltmeyle azaldı. Bu nedenle, öncül konsantrasyonu seyreltildikçe kalınlık azaldı ve bunun sonucunda: 42.2 nm (0.075 M), 40.0 nm (0.05 M) ve 36.2 nm (0.037 M) elde edildi.
Aşağıdaki şekil X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) ve X-ışını reflektometrisi (XRR) sonuçlarını göstermektedir. Her iki test de NiOx oksidasyonunu değerlendirmek için kullanılmıştır.
- XPS spektrumları, 850-860 eV aralığında 4 tepe noktasının Ni, NiO (Ni²⁺), NiOH (Ni²⁺) ve Ni2O3 (Ni³⁺)'ye karşılık geldiğini göstermektedir.
- Yaklaşık 852.0, 853.5, 855 ve 856 eV'lik belirtilen bağlanma enerjileri Gauss uyumları ile bağlandı. Bu, literatür değerleriyle uyumludur.
- Baskın bir NiO piki, oldukça oksitlenmiş bir filmi gösterir. PSC'lerdeki delik taşıma katmanları gibi uygulamalar için uygun kabul edilirler.
- 1:1 konsantrasyonlarda belirginliğini korumaktadır ancak Ni ve Ni203 katkılarında da bir artış fark edilmiştir. Bu ayrıca oksidasyon verimliliğinde bir azalma olduğunu göstermektedir.
- 1:2 konsantrasyonları ve daha ince filmlerden elde edilen daha iyi oksidasyon ile daha yüksek Ni203OXNUMX daha fazla Ni³⁺ gösterir.
- 1:3 konsantrasyonlarına daha fazla seyreltme, Ni203'ün NiO'ya göre arttığını gösterir. Bu, film kalınlığında ve oksidasyonda düzensizlik olduğunu gösterir.
Genel olarak, araştırmacılar, azalan öncül konsantrasyonunun artan nikel oksit karmaşıklığı ve daha yüksek oksidasyon durumlarıyla ilişkili olduğunu buldular. Ancak, daha az öncül ile daha düşük NiO katkısı azalır.
Hakkında daha fazla bilgi edinin Esnek cihazlar için ETL tabanlı çift taraflı perovskit güneş hücreleri: bir simülasyon çalışması
XRR Ölçümünün Sonucu
XRR ölçümleri NiOx biriktirilmiş alt tabakalar üzerindeki elektron yoğunluğunu incelediğinde hiçbir Kiessig saçakları fark edilmedi. Kritik açılar, aşağıdakileri gösteren saçılma hacmiyle ilişkilidir:
- Düşük dağılım nedeniyle tekdüzelik
- Yüksek dağılım nedeniyle heterojenlik
Azalmış öncül konsantrasyonuyla elektron yoğunluğunda yukarı doğru bir kayma oldu. Bu, tavlama sırasında daha iyi oksidasyon veya sıkıştırma nedeniyle daha yüksek seyreltme oranına sahip daha yoğun filmlerin mümkün olduğunu açıkça gösteriyor. Daha ince filmler, hala gelişmiş özellikler sergiledikleri için PV güneş hücresi performansında iyileşme gösteriyor.
Gözlemler
- En homojen olanı referans numunesi ve 1:2 konsantrasyonlu NiOx biriktirmesidir.
- 1:3 konsantrasyonda daha az homojen bir film gözlemlendi.
- Arayüz veya yüzey pürüzlülüğü Fresnel Yansıtıcılığı ile tahmin edildi. Referans numune ve 1:2 konsantrasyon için yaklaşık 4.5 (5) nm idi. Bu değer tüm desenlerde sabit kalır.
- 1:1 ve 1:3 konsantrasyon plakalarından elde edilen numunelerde daha yüksek pürüzlülük dağılımı kaydedildi. 1:1 XRR profili için değerler 2.5 (5) nm ile yaklaşık 4.5 (5) nm arasındadır. 1:3 XRR profili için yaklaşık 4.5 (5) nm ile yaklaşık 7.0 (5) nm arasındadır.
Arayüz Mühendisliği ve Perovskit Film Morfolojisi
Perovskit güneş modüllerinin bu keşfi, iki adımlı önceki çalışmalara dayanarak perovskit tabaka birikimine odaklandı bıçak kaplama yöntemi toksik olmayan çözücüler kullanarak. Film kalitesini iyileştirmek için optimize edilmiş parametreler ve katkı maddeleriyle çift katyonlu bir perovskit (Cs0.15FA0.85PbI3−xBrx) geliştirdik. İki adımlı biriktirme, DMSO'da PbI2-(FAI)0.3-(CsI)0.15'i ve ardından izopropil alkolde FAI/FABr'yi kullanmayı içerir ve dört kurutma yöntemi önerilir. Bu çalışma, bu teknikleri sert alt tabakalarda test ederek 15 cm × 15 cm alt tabakalarda yüksek kaliteli filmler üreterek çeşitli cihazlar ve alt tabakalar için evrensel bir yeşil perovskit formülasyonunun önünü açtı.
SEM görüntüleri aracılığıyla, optimize edilmemiş NiOx katmanının (0.15 M) PV filminde bazı kusurlara neden olduğu açıkça ortaya çıktı. Kusurlar arasında, çoğunlukla düzensiz birikimden kaynaklanan iğne delikleri ve görünür çubuklar yer alır. Öte yandan, optimize edilmiş NiOx katmanında (0.05 M) daha küçük parçacıklar ve daha az iğne deliği gibi daha az kusur gözlemlendi.
Diğer araştırmalar ise şu sonuçları ortaya koyuyor:
- Ancak, optimize edilmiş katmandaki sonuçlar eskisinden daha iyiydi ancak iğne deliklerinin oluşumu devam etti. Bu, ilgili büyük bir zorluğun olduğunu gösteriyor NiOx film ve PV öncü mürekkepleri arasındaki yapışma sorunları.
- UV-ozon ve plazma konvansiyonel yüzey işlemleri NiOx film üzerinde olumsuz bir etkiye sahiptir. Bu, aşırı Pbl2 oluşumu gibi arayüz sorunlarını kötüleştirir. Bu, bir delik çıkarma bariyeri gibi davranabilir, açık devre voltajını azaltma Cihazın.
- Dahası, NiO'nun düşük iletkenliği perovskit güneş hücrelerinin performansına zarar verebilir.
Tüm bu sorunları önlemek ve yukarıdaki durumları iyileştirmek için araştırmacılar, HTL/perovskit arayüzünde MeO-2PACz'nin kendiliğinden birleşen tek katmanını (SAM) kullandılar.
Başka bir girişimde araştırmacılar şunu keşfettiler: Ultra kararlı 2D Dion-Jacobson perovskitleri %19.11 verimlilik elde ediyor.
Gözlemler
- Perovskit filminin SEM görüntüsü kullanılan yöntemlerin etkinliğini doğrulamaktadır: SAM tabakası.
- Perovskit filmler oldukça düzgündü ve herhangi bir delik bulunmuyordu.
- Elipsometri kalınlık haritasına bakıldığında ortalama film kalınlığının 570 mm olduğu görülmekte olup bu da homojenliği desteklemektedir.
- Doktor bıçaklama işlemi nedeniyle, 700 nm'lik bir başlangıç kalınlığına sahip bir eğim vardır. Ayrıca, kaplamanın sonuna doğru, bunda hafif bir azalma vardır.
- Ancak, SAM katmanı kullanılarak tekdüzelik sağlandı ve yapışma sorunları aynı şekilde ele alındı. Sonuç, kararlı ve endüstriyel kullanıma hazır perovskit güneş modülleriydi.
Modüller ve %12.6 Verimli Geniş Alanlı PV Güneş Modüllerinin Uzun Vadeli Kararlılığı
Son olarak, perovskit güneş modülünün başarılı bir şekilde birleştirilmesi, elektron taşıma katmanı (ETL) olarak C60/BCP'nin buharlaştırılması yoluyla gerçekleştirildi. Daha sonra P2 lazerle çizme ve ardından bakır elektrodun buharlaştırılması gerçekleştirildi. Daha sonra işlem P3 çizme ile sonlandırıldı. 22 seri bağlı hücreye sahip PV modülünün özellikleri aşağıdaki gibidir:
- Verimlilik – %12.6
- Kısa devre akımı (ISC) – 98.13 mA
- Doldurma faktörü – %63.49
- Açık devre voltajı (VOC) – 22.3 V
- Yakın-birlik histeresis indeksi – 1.02
Ancak, ileri ve geri ölçüm taramaları arasındaki performansta dikkate değer bir tutarlılık, neredeyse birlik histeresis indeksi ile gösterilmiştir. Bu, perovskit modülünün güvenilir çalışmasını vurgular.
Sonuç
Sonuç olarak, bu araştırma ticari kullanım için %12.6 verimli geniş alanlı PV güneş modüllerinin ölçeklenebilirliğini ilerletmektedir. Doktor bıçağı kullanılarak, NiOx HTL ile geniş alanlı bir PSC modülü oluşturmak mümkün hale geldi. Sonuç, toksik olmayan bir perovskit formülasyonuydu. Ve son olarak, iyileşen kararlılık ve performansa sahip PSC'ler gelecekteki optimizasyon ve ticari uygulamalar için potansiyellerini göstermektedir.
