Джерело: ossila.com
Швидке поліпшення перовскітних сонячних батарей зробило їх зіркою зі світу фотоелектрики та величезним інтересом для академічної спільноти. Оскільки їхні оперативні методи все ще є відносно новими, існує велика можливість для подальших досліджень з основної фізики та хімії навколо перовскітів. Крім того, як було показано протягом останніх кількох років, інженерні вдосконалення формул і виробничих процедур перовскіту призвели до значного підвищення ефективності перетворення енергії, причому останні пристрої досягли понад 23%, станом на червень 2018 року.
Що таке перовскіти?
Чому перовскітові сонячні клітини настільки значні?
З якими проблемами стикаються перовскіти?
Виготовлення та вимірювання сонячних елементів перовскіту
Майбутнє перовскітів
Перовскіт Виробництво відео керівництво
Продукти Ossila для сонячних батарей Perovskite
Список літератури
Подальше читання
Що таке перовскіти?
Терміни "перовскіт" і "структура перовскіту" часто використовуються як взаємозамінні. Технічно перовскіт - це вид мінералу, який вперше був знайдений на Уралі і названий на честь Льва Перовського (засновника Російського географічного товариства). Структурою перовскіту є будь-яка сполука, що має таку ж структуру, що і мінерал перовскіту.
Справжній перовскіт (мінерал) складається з кальцію, титану і кисню у вигляді CaTiO 3 . Тим часом структура перовскіту - все, що має загальну форму ABX 3 і таку ж кристалографічну структуру, як перовскіт (мінерал). Однак, оскільки більшість людей у світі сонячних батарей не займаються мінералами та геологією, структура перовскіту та перовскіту використовуються як взаємозамінні.
Нижче представлена схема решітки перовскіту. Як і багато структур у кристалографії, вона може бути представлена кількома способами. Найпростіший спосіб подумати про перовскіту - це великий атомний або молекулярний катіон (позитивно заряджений) типу А в центрі куба. Кути куба потім зайняті атомами B (також позитивно зарядженими катіонами), а грані куба займають менший атом X з негативним зарядом (аніоном).
Узагальнена кристалічна структура перовскіту виду ABX3. Зауважимо, що дві структури є еквівалентними - ліва структура накреслена таким чином, що атом B знаходиться в положенні <0,0,0>, а праворуч - так, що атом (або молекула) A знаходиться на < 0,0,0=""> положення. Також зверніть увагу на те, що рядки є орієнтиром для представлення кристалічної орієнтації, а не структури зв'язування.
Залежно від того, які атоми / молекули використовуються в структурі, перовскіти можуть мати вражаючий спектр цікавих властивостей, включаючи надпровідність, гігантський магнітоопору, спин-залежний транспорт (спинтроніка) і каталітичні властивості. Тому перовськіці представляють захоплюючу майданчик для фізиків, хіміків і вчених-матеріальних.
Перовскіти вперше успішно використовувалися в твердотільних сонячних елементах у 2012 році, і з тих пір більшість клітин використовували наступну комбінацію матеріалів у звичайній перовскітній формі ABX 3 :
A = органічний катіон - метиламмоній (CH 3 NH 3 + ) або формамидини (NH 2 CHNH 2 + )
B = великий неорганічний катіон - зазвичай свинець (II) (Pb 2+ )
X 3 = трохи менший аніон галогену - зазвичай хлорид (Cl - ) або йодид (I - )
Оскільки це відносно загальна структура, ці пристрої на основі перовскіту можуть також надати ряд різних назв, які можуть або посилатися на більш загальний клас матеріалів, або на конкретну комбінацію. Як приклад ми створили таблицю нижче, щоб виділити, скільки імен може бути сформовано з однієї базової структури.
A | B | X 3 |
Органо | Метал | Тригалогенид (або тригалогенид) |
Метиламмоній | Вести | Йодид (або трийодид) |
Plumbate | Хлорид (або трихлорид) |
Таблиця перовскітної "назви" : оберіть будь-який елемент з стовпців A, B або X 3, щоб отримати правильне ім'я. Приклади включають: хлориди органо-свинцю, метиламмоній-метал-тригаліди, органо-плюмід-йодиди тощо.
Таблиця демонструє, наскільки великим є простір параметрів для потенційних комбінацій матеріалу / структури, оскільки існує багато інших атомів / молекул, які можуть бути замінені на кожен стовпець. Вибір комбінацій матеріалів матиме вирішальне значення для визначення як оптичних, так і електронних властивостей (наприклад, забороненої зони та співмірних спектрів поглинання, рухливості, довжини дифузії тощо). Проста оптимізація грубої сили комбінаторним скринінгом в лабораторії, ймовірно, буде дуже неефективною при пошуку хороших перовскітних структур.
Більшість ефективних перовскітів засновані на галогенідах металів IV групи (зокрема, свинцю), і виходити за межі цього виявилося складним завданням. Ймовірно, необхідні більш глибокі знання, ніж доступні в даний час, щоб повністю дослідити спектр можливих перовскітних структур. Сонячні елементи на основі перовскіту на основі свинцю особливо хороші через низку факторів, включаючи сильне поглинання у видимому режимі, довгі довжини дифузії носіїв заряду, регульовану заборонену зону та легке виготовлення (завдяки високій толерантності до дефектів і здатність до обробки при низьких температурах).
Чому перовскітові сонячні клітини настільки значні?
Є два ключових графіки, які демонструють, чому сонячні елементи перовскіту привернули таку увагу в короткий час з 2012 року. Перший з цих графіків (який використовує дані, взяті з діаграми ефективності сонячних батарей NREL) 1 демонструє ефективність перетворення енергії перовскіту пристрої на основі останніх років, у порівнянні з виникаючими фотоелектричними технологіями дослідження, а також традиційними тонкоплівковими фотоелектричними батареями.
Графік показує зростання метеориту порівняно з більшістю інших технологій за відносно короткий проміжок часу. Протягом 4 років свого прориву сонячні елементи перовскіту дорівнювали ефективності телуриду кадмію (CdTe), яка існує вже більше 40 років. Крім того, станом на червень 2018 р. Вони перевищили всі інші технології тонкої плівки, неконцентратори - в тому числі CdTe і Selenide Galium Indium Gallium (CIGS). Хоча можна було б стверджувати, що за останні кілька років було доступно більше ресурсів і кращої інфраструктури для сонячних батарей, різке зростання ефективності сонячних елементів перовскіту все ще є надзвичайно значним і вражаючим.
Сонячні елементи перовскіту збільшили ефективність перетворення енергії за феноменальною швидкістю порівняно з іншими типами фотоелектричних систем. Незважаючи на те, що ця цифра є лише лабораторією на основі "осередків-героїв", вона віщує велику обіцянку.
Другий ключовий графік нижче - напруга відкритого контуру в порівнянні з забороненою зоною для ряду технологій, які конкурують з перовскітами. Цей графік демонструє, скільки енергії фотона втрачається в процесі перетворення від світла до електрики. Для стандартних сонячних елементів на основі екситонної, органічної на основі, ця втрата може досягати 50% поглиненої енергії, тоді як сонячні елементи перовскіту регулярно перевищують 70% енергії фотонів і мають потенціал для збільшення ще більше. 4
Це наближається до значень сучасних технологій (наприклад, GaAs), але за значно меншою ціною. Кристалічні кремнієві сонячні елементи, можливо, найближчий компаратор для перовскітів з точки зору ефективності та вартості, вже до 1000 разів дешевші, ніж сучасні GaAs. 5 Перовськіці мають потенціал стати ще дешевше, ніж це.
Максимальна енергія енергії фотонів (визначається як напруга відкритої ланцюга Voc, поділена на оптичний ширину забороненої зони Eg) для загальноприйнятих систем злиття сонячних елементів. Розраховано з сучасних осередків, деталізованих у таблицях ефективності NREL.
З якими проблемами стикаються перовскіти?
Найбільшою проблемою в області перовскітів в даний час є довгострокова нестабільність. Це було показано через шляхи деградації, що включають зовнішні фактори, такі як вода, світло і кисень, а також в результаті власної нестабільності, такий як деградація при нагріванні, через властивості матеріалу. Огляд причин деградації перовскіту див.
Для покращення стабільності було запропоновано декілька стратегій, найбільш успішно змінюючи вибір компонентів. Використання змішаних катіонних систем (наприклад, включення неорганічних катіонів, таких як рубідій або цезій) покращує стабільність і ефективність. Перші клітини перовскіту, які перевищують 20% ефективності, використовували систему змішаного органічного катіона, і багато з найбільш ефективних систем, опублікованих останнім часом, використовують неорганічні компоненти. Переміщення до гідрофобних, УФ-стійких міжфазних шарів також покращило стабільність - наприклад, замінивши TiO 2 , що піддається деградації ультрафіолетового випромінювання, зі стабільністю SnO 2 також було покращено шляхом використання пасивації поверхні і комбінуванням 2D-шаруватих (Ruddlesden-Popper) перовскітів (які демонструють кращу внутрішню стабільність, але більш низьку продуктивність) з звичайними 3D перовскітами. Ці зусилля (разом з такими факторами, як покращення інкапсуляції) значно покращили стабільність перовскітів з моменту їх першого введення, а термін служби на шляху до відповідності промисловим стандартам - останні роботи показали, що клітини здатні витримати 1000-годинний тест на вологість тепла. Для більш глибокого обговорення методів підвищення стабільності перовскіту див.
Звичайний 3D перовскіт (ліворуч) порівняно з загальною 2D перовскітною структурою (справа).
Ще одним питанням, яке ще має бути повністю вирішене, є використання свинцю в сполуках перовскіту. Хоча він використовується в набагато менших кількостях, ніж ті, що в даний час присутні в батареях на основі свинцю або кадмію, присутність свинцю в продуктах для комерційного використання є проблематичним. Занепокоєння все ще залишається щодо впливу токсичних сполук свинцю (через вилуговування перовскіту в навколишнє середовище), а деякі дослідження припускають, що великомасштабне впровадження перовскітів потребуватиме повного стримування продуктів деградації. Навпаки, інші оцінки життєвого циклу виявили вплив токсичності свинцю незначним у порівнянні з іншими матеріалами в клітці (наприклад, катодом).
Існує також потенціал для використання свинцевої альтернативи в перовскітних сонячних елементах (таких як перовскіти на основі олова), але ефективність перетворення енергії таких пристроїв все ще значно поступається пристроям на основі свинцю, при цьому рекорд для перовскіту на основі олова нині - 9,0%. У деяких дослідженнях також зроблено висновок, що олово може фактично мати більш високу екологічну токсичність, ніж свинець, та інші менш токсичні альтернативи.
Іншою важливою проблемою з точки зору продуктивності є гістерезис струму, який зазвичай спостерігається в пристроях. Фактори, що впливають на гістерезис, все ще обговорюються, але найчастіше це пояснюється міграцією мобільних іонів у поєднанні з високим рівнем рекомбінації. Методи зниження гістерезису включають зміну архітектури клітин, пасивацію поверхні і збільшення вмісту йодиду свинцю, а також загальні стратегії зменшення рекомбінації.
Апроксимація вольт-амперного гістерезису часто зустрічається в перовскітних сонячних елементах.
Щоб забезпечити дійсно низьку вартість за ват, сонячні елементи перовскіту повинні домогтися набагато провішеного тріо високої ефективності, тривалого терміну служби і низьких виробничих витрат. Це ще не було досягнуто для інших тонкоплівкових технологій, але пристрої на основі перовскіту в даний час демонструють величезний потенціал для досягнення цієї мети.
Виготовлення та вимірювання сонячних елементів перовскіту
Хоча перовскіти походять з, здавалося б, іншого світу кристалографії, вони можуть бути легко включені в стандартну OPV (або іншу тонкоплівкову) архітектуру. Перші сонячні осередки перовскіту були засновані на твердотільних сонячних елементах, сенсибілізованих барвником (DSSCs), і таким чином використовували мезопористий каркас TiO 2 . Багато клітин з того часу слідували цьому шаблону або використовували каркас Al 2 O 3 в архітектурі "мезо-суперструктурированной", але високі температурні кроки, необхідні для виготовлення, і ультрафіолетова нестабільність TiO 2 , призвели до введення "планарної" схожої архітектури до інших тонкоплівкових клітин. Після декількох років відставання від мезопористих клітин з точки зору ефективності, плоскі перовскіти зараз майже так само ефективні.
Загальні структури звичайних / перевернутих планарних і мезопористих (звичайних) перовскітних клітин.
Сама плівка перовскіту зазвичай обробляється методами вакуумування або розчинення. Якість фільму дуже важлива. Спочатку плівки з вакуумним наплавленням дали кращі пристрої, але цей процес вимагає спільного випаровування органічної (метиламмонієвої) складової одночасно з неорганічними (галогенідами свинцю) компонентами, що вимагає спеціальних випарних камер, які не доступні багатьом дослідникам. . Як наслідок, були зроблені значні зусилля у вдосконаленні пристроїв, оброблених розчинами, оскільки вони є більш простими і дозволяють проводити низькотемпературну обробку, і тепер вони є рівноцінними в вакуумі.
Як правило, активний шар сонячного елемента перовскіту осідає через один або два етапи. У одностадійному процесі розчин попередника (такий як суміш CH 3 NH 3 I і PbI 2 ) покривається, що потім перетворюється в перовскітну плівку при нагріванні. Різноманітність цього способу полягає в способі "антирозчинника", в якому розчин попередника покривається в полярному розчиннику, а потім гасять під час процесу спінового покриття неполярним розчинником. Для отримання оптимальних характеристик потрібні точні часові параметри гасіння і обсяги гартівних розчинників. Щоб допомогти в цьому, ми побудували насос шприца Ossila , який дозволив нам використовувати цей процес гасіння, щоб підштовхнути внутрішні показники ефективності перетворення електроенергії понад 16%.
У двостадійному процесі галогеніди металів (такі як PbI 2 ) і органічні компоненти (такі як CH 3 NH 3 I) обертаються спином в окремих наступних плівках. Альтернативно, плівки галогенідів металу можуть бути покриті і відпалені в камері, заповненій парами органічного компонента, відомому як «процес розчини вакууму» (VASP).
Апроксимація методу гасіння анти-розчинника часто використовується для покриття перовскітів в одностадійному процесі з розчину попередника.
Більшість сучасних перовскітів базуються на прозорій провідній окисній / ETL / Perovskite / HTL / металевій структурі, при цьому ETL і HTL відносяться до електронно-транспортних і діркових транспортних шарів відповідно. Типові шари, що містять отвори, включають Spiro-OMeTAD або PEDOT: PSS , і типові електронно-транспортні шари включають TiO 2 або SnO 2 . Розуміння та оптимізація енергетичних рівнів та взаємодії різних матеріалів на цих інтерфейсах пропонує дуже цікаву область досліджень, яка ще обговорюється.
Основними питаннями для практичного виготовлення пристроїв перовскітних сонячних елементів є якість і товщина плівки. Світлозбиральний (активний) перовскітовий шар повинен мати товщину в кілька сотень нанометрів - у кілька разів більше, ніж для стандартної органічної фотоелектрики , а створення таких товстих шарів з високою однорідністю може бути важким. Якщо не будуть оптимізовані умови осадження і відпал, то будуть сформовані шорсткі поверхні з неповним покриттям. Навіть при хорошій оптимізації залишиться значна шорсткість поверхні. Отже, потрібні більш товсті інтерфейсні шари, ніж зазвичай можна використовувати. Покращення якості фільму було досягнуто різними методами. Одним з таких способів є додавання невеликих кількостей кислот, таких як гидроиодная або бромистоводородная кислота, попередньо обговорених в повідомленні про чистоту MAI проти розчинності хлориду свинцю , або надлишок попередника йодиду свинцю.
Завдяки великим зусиллям досліджень, ефективність понад 22% була досягнута за допомогою покриття спіном , і висока ефективність також була досягнута за допомогою інших методів обробки розчину (наприклад, покриття щілинного отвору ). Це свідчить про те, що великомасштабна обробка перовскітів є дуже доцільною.
Майбутнє перовскітів
Подальші дослідження перовскітів, ймовірно, зосереджуватимуться на зменшенні рекомбінації за допомогою таких стратегій, як пасивація і зменшення дефектів, а також підвищення ефективності за рахунок включення 2D перовскітів і краще оптимізованих матеріалів інтерфейсу. Шари екстракції заряду, ймовірно, віддаляться від органічних матеріалів до неорганічних, щоб поліпшити ефективність і стабільність. Підвищення стабільності та зменшення впливу свинцю на навколишнє середовище, ймовірно, і надалі залишатиметься значною сферою інтересу.
Хоча комерціалізація автономних перовскітних сонячних елементів все ще стикається з перешкодами з точки зору виготовлення та стабільності, їх використання в тандемі c-Si / perovskite клітинах швидко прогресує (з досягнутими ефективністю вище 25%) і, ймовірно, перовскіти спочатку побачать ринок фотоелектрики як частину цієї структури. Крім сонячної енергії, залишається значний потенціал для використання перовскітів в інших застосуваннях, таких як світлодіоди і резистивні спогади.
Перовскіт Виробництво відео керівництво
Для тих, хто тільки починає дослідження перовскіту, ми підготували відео-посібник, який демонструє весь процес виготовлення та вимірювання фотоелектричної енергії. У наших власних лабораторіях ми досягли ефективності, що перевищує 11%, використовуючи цю особливу процедуру виготовлення. На наведеному нижче відео розміщено стару, зняту з виробництва модель Ossila Spin Coater - щоб побачити поточну модель, ви можете відвідати сторінку продукту тут .
Продукти Ossila для сонячних батарей Perovskite
Удостоєна нагородами платформа сонячних батарей Ossila забезпечує зразкове наукове застосування та вплив на дослідження сонячних елементів. Це узгоджена колекція підкладок, матеріалів і випробувального обладнання як частина високопродуктивної стандартної фотоелектричної еталонної архітектури. Це дозволяє дослідникам виробляти високоякісні, повнофункціональні сонячні елементи, які можна використовувати як надійну базову лінію.
Ми самі, як дослідники та науковці, розуміємо, наскільки багато часу це вимагає знання всіх матеріалів, процесів і методів, необхідних для створення високоякісного пристрою, і як це незважаючи на всі ваші зусилля, іноді може призвести до непослідовних і невідповідних зусиль. -відтворювані результати.
Ми розробили цю платформу з метою дати вам можливість зосередитися на своїх дослідженнях (замість розробки / пошуку всіх ваших власних компонентів) і повторити базовий рівень продуктивності. Значною перевагою цієї платформи є надання попередньо зразків субстратів ITO та високопродуктивного обладнання для обробки, що призводить до значного збільшення вашої продуктивності для пристроїв сонячних батарей - таким чином, допомагаючи збирати більше даних, набагато швидше. Таким чином, можна перевірити більше типів нових матеріалів або варіацій архітектури, і можна зібрати більше статистичних даних - забезпечуючи узгодженість і точність.
На найбільш базовому рівні більшість сонячних елементів на основі перовскіту базуються на прозорій скляній підкладці з покриттям з оксидним покриттям з випареним металевим катодом і верхньою інкапсуляцією. Таким чином, наша існуюча субстратна інфраструктура і перовскітові матеріали вже використовуються в високопродуктивних перовскітних пристроях, оброблених розчинами. Наш стандартний епоксид для інкапсуляції також ідеально підходить для ламінування скла або інших бар'єрних шарів - як це використовується в папері Snaith 2014 Nature.
Spin Coater Ossila регулярно використовується для нанесення нашого інтерфейсу і активних шарів з високою точністю і простотою експлуатації.
Дуже корисним компаньйоном Spin Coater (на фото вище) є насос шприців Ossila . Він може бути використаний для автоматичного дозування і гартування наших перовскітних шарів для отримання високоякісних плівок. Наші колеги-академіки також зробили цікавий прогрес у перовскітних сонячних елементах, оброблених розчинами, через покриття розпиленням на наші стандартні субстрати. Крім того, сонячні елементи перовскіту охарактеризовані за допомогою тестової системи Ossila Solar Cell IV , яка автоматично обчислює показники пристроїв і може виконувати вимірювання стабільності.
I101 Перовскітові чорнила від Ossila. Пакується як 10 індивідуальних флаконів, що містять 0,5 мл розчину. Це здатне покривати до 160 підкладок. I101 можна також купити оптом (30 мл), зі знижкою 25% у порівнянні з нашими стандартними розмірами замовлення.
Протягом останніх місяців ми також працювали з нашими академічними співробітниками, щоб принести на ринок більше продуктів на основі перовскіту, включаючи: високоочищений йодид метиламмонію, бромид метиламмонія , йодид формамідинію та бромид формамидиния. Ми також випустили наш перший набір перовскітових фарб, перший з яких - I101 (MAI: PbCl 2 ), призначений для обробки на повітрі і продемонстрував ефективність в наших лабораторіях до 11,7%. Наше друге чорнило, I201 (MAI: PbCl 2 : PbI 2 ), призначене для обробки в атмосфері азоту, і дотепер ми спостерігали ефективність до 11,8%. Обидва чорнила розроблені для того, щоб допомогти нашим клієнтам досягти високої ефективності, надзвичайно швидко, коли вони починають дослідження з перовскітів. Ми включаємо оптимізовані процедури обробки з обома чорнилами, щоб максимізувати результати.