Источник: ossila.com
Быстрое усовершенствование солнечных батарей на основе перовскита сделало их восходящей звездой в мире фотоэлектрических систем и представляет огромный интерес для академического сообщества. Поскольку методы их работы все еще относительно новы, есть прекрасная возможность для дальнейших исследований в области базовой физики и химии вокруг перовскитов. Кроме того, как было показано за последние несколько лет, технические усовершенствования составов и процедур изготовления перовскита привели к значительному повышению эффективности преобразования энергии, поскольку по состоянию на июнь 2018 года последние устройства достигли более 23%.
Что такое перовскиты?
Почему солнечные элементы на основе перовскита так важны?
С какими проблемами сталкиваются перовскиты?
Изготовление и измерение солнечных элементов на основе перовскита
Будущее перовскитов
Видео-руководство по изготовлению перовскита
Продукты Ossila для солнечных батарей Perovskite
Рекомендации
Дальнейшее чтение
Что такое перовскиты?
Термины «перовскит» и «структура перовскита» часто используются взаимозаменяемо. Технически, перовскит - это тип минерала, который был впервые обнаружен на Урале и назван в честь Льва Перовского (который был основателем Русского географического общества). Структура перовскита представляет собой любое соединение, которое имеет такую же структуру, что и минерал перовскита.
Истинный перовскит (минерал) состоит из кальция, титана и кислорода в форме CaTiO 3 . Между тем, структура перовскита - это все, что имеет общую форму ABX 3 и ту же кристаллографическую структуру, что и перовскит (минерал). Однако, поскольку большинство людей в мире солнечных элементов не связаны с минералами и геологией, структура перовскита и перовскита используется взаимозаменяемо.
Расположение решетки перовскита показано ниже. Как и во многих структурах в кристаллографии, она может быть представлена несколькими способами. Самый простой способ думать о перовските - это большой атомный или молекулярный катион (положительно заряженный) типа А в центре куба. Углы куба затем заняты атомами B (также положительно заряженными катионами), а грани куба заняты меньшим атомом X с отрицательным зарядом (анион).
Типичная кристаллическая структура перовскита в форме ABX3. Обратите внимание, что эти две структуры эквивалентны - левая структура нарисована так, что атом B находится в положении <0,0,0>, тогда как правая структура нарисована так, что атом (или молекула) A находится в < 0,0,0=""> позиция. Также обратите внимание, что линии являются руководством для представления ориентации кристалла, а не узорами склеивания.
В зависимости от того, какие атомы / молекулы используются в структуре, перовскиты могут обладать впечатляющим набором интересных свойств, включая сверхпроводимость, гигантское магнитосопротивление, спин-зависимый транспорт (спинтроника) и каталитические свойства. Поэтому перовскиты представляют собой увлекательную игровую площадку для физиков, химиков и материаловедов.
Перовскиты были впервые успешно использованы в твердотельных солнечных элементах в 2012 году, и с тех пор большинство ячеек использовали следующую комбинацию материалов в обычной перовскитной форме ABX 3 :
A = Органический катион - метиламмоний (CH 3 NH 3 + ) или формамидиний (NH 2 CHNH 2 + )
B = большой неорганический катион - обычно свинец (II) (Pb 2+ )
X 3 = немного меньший галогеновый анион - обычно хлорид (Cl - ) или йодид (I - )
Поскольку это относительно общая структура, этим устройствам на основе перовскита также может быть присвоено несколько различных названий, которые могут относиться либо к более общему классу материалов, либо к определенной комбинации. В качестве примера этого мы создали таблицу ниже, чтобы выделить количество имен, которые могут быть сформированы из одной базовой структуры.
| В | X 3 |
Organo | металл | Тригалогенид (или тригалогенид) |
метиламмония | вести | Йодид (или трийодид) |
метаплюмбаты | Хлорид (или трихлорид) |
Таблица «выбора имени» на основе перовскита : выберите любой элемент из столбцов A, B или X 3, чтобы получить правильное имя. Примеры включают: органо-свинц-хлориды, метиламмоний-металл-тригалогениды, органо-плюмбат-йодиды и т. Д.
Таблица демонстрирует, насколько велико пространство параметров для возможных комбинаций материала / структуры, поскольку есть много других атомов / молекул, которые можно заменить для каждого столбца. Выбор комбинаций материалов будет иметь решающее значение для определения как оптических, так и электронных свойств (например, запрещенной зоны и соответствующих спектров поглощения, подвижности, диффузионных длин и т. Д.). Простая оптимизация методом грубой силы с помощью комбинаторного скрининга в лаборатории, вероятно, будет очень неэффективной при поиске хороших структур перовскита.
Большинство эффективных перовскитов основаны на галогенидах металлов IV группы (в частности, свинца), и преодоление этого оказалось сложной задачей. Вероятно, для полного изучения диапазона возможных структур перовскита требуется более глубокое знание, чем доступно в настоящее время. Солнечные элементы на основе перовскита на основе свинца особенно хороши из-за ряда факторов, включая сильное поглощение в видимом режиме, большие длины диффузии носителей заряда, перестраиваемую запрещенную зону и простоту изготовления (из-за высокой дефектности и способность обрабатывать при низких температурах).
Почему солнечные элементы на основе перовскита так важны?
Есть два ключевых графика, которые демонстрируют, почему солнечные элементы на основе перовскита привлекли такое большое внимание за короткое время с 2012 года. Первый из этих графиков (который использует данные, взятые из диаграммы эффективности солнечных элементов NREL) 1, демонстрирует эффективность преобразования мощности перовскита. устройства на основе последних лет по сравнению с новыми технологиями фотоэлектрических исследований, а также традиционными тонкопленочными фотоэлектрическими устройствами.
График показывает стремительный рост по сравнению с большинством других технологий за относительно короткий период времени. В течение 4 лет после их прорыва, солнечные элементы на основе перовскита сравнялись с эффективностью теллурида кадмия (CdTe), который существует уже более 40 лет. Кроме того, по состоянию на июнь 2018 года они превзошли все другие тонкопленочные, неконцентрированные технологии, включая CdTe и селенид меди-галлия-индия (CIGS). Хотя можно утверждать, что в последние несколько лет было доступно больше ресурсов и улучшена инфраструктура для исследований солнечных элементов, резкий рост эффективности перовскитных солнечных элементов все еще невероятно значительный и впечатляющий.
Солнечные элементы на основе перовскита повысили эффективность преобразования энергии с феноменальной скоростью по сравнению с другими типами фотоэлектрических систем. Хотя эта цифра представляет собой только «ячейки героев», основанные на лабораторных исследованиях, она предвещает большие надежды.
Второй ключевой график ниже - это напряжение холостого хода по сравнению с шириной запрещенной зоны для ряда технологий, которые конкурируют с перовскитами. Этот график демонстрирует, сколько энергии фотона теряется в процессе преобразования света в электричество. Для стандартных солнечных элементов на органической основе на основе экситонов эта потеря может достигать 50% поглощенной энергии, тогда как солнечные элементы на основе перовскита регулярно превышают 70% использования энергии фотонов и имеют потенциал для дальнейшего увеличения. 4
Это приближается к значениям современных технологий (таких как GaAs), но при значительно более низкой стоимости. Кристаллические кремниевые солнечные элементы, возможно, наиболее близкие к перовскитам по эффективности и стоимости, уже стоят в 1000 раз дешевле, чем современные GaAs. У 5 перовскитов есть потенциал стать еще дешевле, чем это.
Максимальное использование энергии фотонов (определяемое как напряжение Voc разомкнутой цепи, деленное на оптическую ширину запрещенной зоны Eg) для общих материальных систем солнечных элементов с одним переходом. Рассчитано по современным ячейкам, детализированным в таблицах эффективности NREL.
С какими проблемами сталкиваются перовскиты?
Самая большая проблема в области перовскитов в настоящее время - это долгосрочная нестабильность. Было показано, что это происходит из-за путей разложения с участием внешних факторов, таких как вода, свет и кислород, а также в результате внутренней нестабильности, такой как деградация при нагревании, из-за свойств материала. Обзор причин деградации перовскита см. В руководстве Оссилы.
Для улучшения стабильности было предложено несколько стратегий, наиболее успешно изменяя выбор компонентов. Было показано, что использование систем смешанных катионов (например, путем включения неорганических катионов, таких как рубидий или цезий) улучшает стабильность и эффективность. В первых перовскитных ячейках, эффективность которых превышала 20%, использовалась система смешанных органических катионов, и во многих опубликованных в последнее время системах с самой высокой эффективностью используются неорганические компоненты. Движение в направлении гидрофобных, устойчивых к ультрафиолетовому излучению межфазных слоев также улучшило стабильность - например, за счет замены TiO 2 , который подвержен ультрафиолетовому разложению, на SnO 2. Стабильность также была улучшена за счет использования пассивации поверхности. и путем объединения двухслойных (Ruddlesden-Popper) перовскитов (которые показывают лучшую внутреннюю стабильность, но более низкую производительность) с обычными трехмерными перовскитами. Эти усилия (наряду с такими факторами, как лучшая инкапсуляция) значительно улучшили стабильность перовскитов с момента их первоначального введения, и срок службы уже на пути к соответствию промышленным стандартам - последние работы показали, что ячейки способны выдержать испытание влажным теплом в течение 1000 часов. Более подробное обсуждение методов улучшения стабильности перовскита см. В руководстве Оссилы.
Обычный трехмерный перовскит (слева) по сравнению с общей двумерной структурой перовскита (справа).
Еще одна проблема, которую еще предстоит полностью решить, - это использование свинца в перовскитных соединениях. Хотя он используется в гораздо меньших количествах, чем те, которые в настоящее время присутствуют в батареях на основе свинца или кадмия, присутствие свинца в продуктах для коммерческого использования является проблематичным. Остаются все еще опасения по поводу воздействия токсичных соединений свинца (путем выщелачивания перовскита в окружающую среду), и некоторые исследования предполагают, что широкомасштабное внедрение перовскитов потребует полного сдерживания продуктов разложения. Напротив, другие оценки жизненного цикла показали, что влияние свинца на токсичность незначительно по сравнению с другими материалами в ячейке (такими как катод).
Существует также потенциал для использования свинцовой альтернативы в перовскитных солнечных элементах (таких как перовскиты на основе олова), но эффективность преобразования мощности таких устройств все еще значительно отстает от устройств на основе свинца, с рекордным показателем для перовскита на основе олова. в настоящее время стоит на уровне 9,0%. Некоторые исследования также пришли к выводу, что олово может иметь более высокую токсичность для окружающей среды, чем свинец, и другие менее токсичные альтернативы требуются.
Другая важная проблема с точки зрения производительности - это гистерезис вольт-ампер, который обычно наблюдается в устройствах. Факторы, влияющие на гистерезис, все еще обсуждаются, но чаще всего это связано с миграцией подвижных ионов в сочетании с высоким уровнем рекомбинации. Методы уменьшения гистерезиса включают изменение клеточной архитектуры, пассивирование поверхности и увеличение содержания йодида свинца, а также общие стратегии по снижению рекомбинации.
Приближение вольт-амперного гистерезиса часто встречается в перовскитных солнечных элементах.
Чтобы обеспечить действительно низкую цену за ватт, солнечные элементы на основе перовскита должны были достичь очень высокого уровня трио: высокая эффективность, длительный срок службы и низкие производственные затраты. Это еще не было достигнуто для других тонкопленочных технологий, но устройства на основе перовскита в настоящее время демонстрируют огромный потенциал для достижения этой цели.
Изготовление и измерение солнечных элементов на основе перовскита
Хотя перовскиты происходят из, казалось бы, другого мира кристаллографии, их можно очень легко встроить в стандартную архитектуру OPV (или другую тонкопленочную). Первые солнечные элементы на основе перовскита были основаны на солнечных элементах, сенсибилизированных красителем, и использовали мезопористый каркас TiO 2 . С тех пор многие ячейки следовали этому шаблону или использовали каркас из Al 2 O 3 в «мезо-сверхструктурированной» архитектуре, но высокие температуры, необходимые для производства, и УФ-нестабильность TiO 2 привели к появлению «плоской» архитектуры, аналогичной в другие тонкопленочные клетки. После нескольких лет отставания от мезопористых клеток с точки зрения эффективности, плоские перовскиты теперь почти так же эффективны.
Типичные структуры обычных / перевернутых плоских и мезопористых (обычных) перовскитных клеток.
Сама пленка перовскита обычно обрабатывается вакуумным или растворным способом. Качество фильма очень важно. Первоначально пленки с вакуумным напылением давали лучшие устройства, но этот процесс требует совместного испарения органического (метиламмонийного) компонента одновременно с неорганическими (галогенид свинца) компонентами, что требует специальных испарительных камер, которые недоступны для многих исследователей. , В результате были предприняты значительные усилия по улучшению устройств, обработанных раствором, поскольку они более просты и допускают низкотемпературную обработку, и теперь они равны ячейкам с вакуумным напылением с точки зрения эффективности.
Как правило, активный слой солнечного элемента из перовскита наносится с помощью одно- или двухстадийного процесса. В одностадийном процессе на раствор прекурсора (такой как смесь CH 3 NH 3 I и PbI 2 ) наносят покрытие, которое при нагревании превращается в перовскитную пленку. Разновидностью этого метода является «антирастворитель», в котором раствор предшественника покрывают в полярном растворителе, а затем гасят во время процесса центрифугирования неполярным растворителем. Точные сроки закалки и объемы закалочных растворителей необходимы для обеспечения оптимальной производительности. Чтобы помочь в этом, мы построили шприцевой насос Ossila , который позволил нам использовать этот процесс гашения, чтобы повысить эффективность преобразования мощности внутри предприятия более чем на 16%.
В двухстадийном процессе галогенид металла (такой как PbI 2 ) и органические компоненты (такие как CH 3 NH 3 I) покрываются методом центрифугирования в отдельных последующих пленках. В качестве альтернативы, пленки галогенидов металлов могут быть покрыты и отожжены в камере, заполненной парами органического компонента, известной как «процесс растворения в вакууме» (VASP).
Приближение метода закалки против растворителя, часто используемого для покрытия перовскитов в одностадийном процессе из раствора предшественника.
Большинство современных перовскитов основаны на прозрачной проводящей структуре оксид / ETL / Perovskite / HTL / металл, где ETL и HTL относятся к слоям переноса электронов и переноса дырок соответственно. Типичные дырно -транспортные слои включают в себя Spiro-OMeTAD или PEDOT: PSS , а типичные электронно-транспортные слои включают TiO 2 или SnO 2 . Понимание и оптимизация уровней энергии и взаимодействия различных материалов на этих интерфейсах предлагает очень интересную область исследований, которая все еще обсуждается.
Основными вопросами для практического устройства изготовления перовскитных солнечных элементов являются качество и толщина пленки. Светосборный (активный) слой перовскита должен иметь толщину несколько сотен нанометров - в несколько раз больше, чем для стандартных органических фотоэлектрических элементов , и создание таких толстых слоев с высокой однородностью может быть затруднено. Если условия осаждения и температура отжига не оптимизированы, образуются шероховатые поверхности с неполным покрытием. Даже при хорошей оптимизации все равно останется значительная шероховатость поверхности. Следовательно, также требуются более толстые слои интерфейса, чем обычно используемые. Улучшения качества пленки были достигнуты с помощью различных методов. Одним из таких способов является добавление небольших количеств кислот, таких как йодистоводородная или бромистоводородная кислота, которые ранее обсуждались в посте о чистоте MAI по сравнению с растворимостью в хлориде свинца или избытком предшественника йодида свинца.
Благодаря обширным исследовательским усилиям, эффективность более 22% была достигнута при использовании центробежного покрытия , а высокая эффективность также была достигнута при использовании других методов обработки растворов (таких как щелевое покрытие ). Это говорит о том, что крупномасштабная обработка растворов перовскитов очень возможна.
Будущее перовскитов
Будущие исследования перовскитов, вероятно, будут направлены на уменьшение рекомбинации с помощью таких стратегий, как пассивация и уменьшение дефектов, а также повышение эффективности за счет включения двумерных перовскитов и более оптимизированных материалов интерфейса. Слои, извлекающие заряд, могут перемещаться из органических материалов в неорганические, что повышает как эффективность, так и стабильность. Повышение стабильности и снижение воздействия свинца на окружающую среду, вероятно, будут по-прежнему представлять значительный интерес.
В то время как коммерциализация автономных солнечных элементов на основе перовскита все еще сталкивается с препятствиями с точки зрения изготовления и стабильности, их использование в тандемных элементах c-Si / перовскит быстро прогрессирует (при достигнутой эффективности более 25%) и вполне вероятно, что перовскиты впервые увидят рынок PV как часть этой структуры. Помимо солнечной энергии остается значительный потенциал для использования перовскитов в других областях, таких как светодиоды. и резистивные воспоминания.
Видео-руководство по изготовлению перовскита
Для тех, кто только начинает свои исследования перовскита, мы подготовили видеогид, демонстрирующий весь процесс изготовления и измерения фотовольтаики перовскита. В наших собственных лабораториях мы достигли эффективности, превышающей 11%, используя эту особую процедуру изготовления. Видео ниже показывает более старую, снятую с производства модель Ossila Spin Coater - чтобы увидеть текущую модель, вы можете посетить страницу продукта здесь .
Продукты Ossila для солнечных батарей Perovskite
Отмеченная наградами платформа прототипирования солнечных элементов Ossila обеспечивает образцовое научное применение и влияние на исследования солнечных элементов. Это целостная коллекция подложек, материалов и испытательного оборудования, являющаяся частью высокопроизводительной стандартной фотоэлектрической эталонной архитектуры. Это позволяет исследователям производить высококачественные, полностью функциональные солнечные элементы, которые можно использовать в качестве надежной базовой линии.
Как сами исследователи и ученые, мы понимаем, как много времени требуется для приобретения опыта по всем материалам, процессам и методам, необходимым для производства высококачественного устройства, и что, несмотря на все ваши усилия, это может иногда приводить к Воспроизводимые результаты.
Мы разработали эту платформу с целью дать вам возможность сосредоточиться на своих исследованиях (вместо того, чтобы разрабатывать / выбирать все свои компоненты) и воспроизводить базовые показатели производительности. Существенным преимуществом этой платформы является предоставление предварительно сформированных субстратов ITO и высокопроизводительного технологического оборудования, что приводит к значительному увеличению производительности ваших устройств на солнечных батареях, что помогает вам собирать больше данных гораздо быстрее. Таким образом, можно тестировать больше типов новых материалов или вариантов архитектуры и собирать больше статистических данных, что обеспечивает согласованность и точность.
На самом базовом уровне большинство солнечных элементов на основе перовскита основаны на прозрачной проводящей стеклянной подложке с оксидным покрытием с испаренным металлическим катодом и верхней капсулированием. Таким образом, наша существующая инфраструктура подложки и перовскитные материалы уже используются в высокопроизводительных устройствах на основе перовскита, обработанных растворами. Наша стандартная эпоксидная смола для инкапсуляции также идеально подходит для ламинирования стекла или других барьерных слоев - как это используется в Snaith's Nature paper 2014 года.
Ossila Spin Coater обычно используется для нанесения нашего интерфейса и активных слоев с высокой точностью и простотой в эксплуатации.
Очень полезным спутником Spin Coater (на фото выше) является шприцевой насос Ossila . Он может быть использован для автоматического дозирования и закалки наших слоев перовскита для получения высококачественных пленок. Наши академические коллеги также достигли впечатляющего прогресса в обработке перовскитных солнечных элементов, обработанных раствором, путем нанесения покрытия на наши стандартные подложки. Кроме того, перовскитные солнечные элементы характеризуются с помощью тестовой системы Ossila Solar Cell IV , которая автоматически рассчитывает метрики устройства и может выполнять измерения стабильности.
I101 Перовскитные чернила доступны от Ossila. Он упакован в 10 отдельных флаконов, содержащих 0,5 мл раствора. Это позволяет наносить до 160 подложек. I101 также можно купить оптом (30 мл) со скидкой 25% по сравнению с нашими стандартными размерами заказа.
В последние месяцы мы также работали с нашими научными сотрудниками над выпуском на рынок большего количества продуктов на основе перовскита, включая: высокочистый йодид метиламмония, бромид метиламмония , йодид формамидиния и бромид формамидиния. Мы также выпустили наш первый набор перовскитных чернил, первым из которых является I101 (MAI: PbCl 2 ), предназначенный для обработки на воздухе и продемонстрировавший эффективность в наших лабораториях до 11,7%. Наши вторые чернила, I201 (MAI: PbCl 2 : PbI 2 ), предназначены для обработки в атмосфере азота, и до сих пор мы наблюдали эффективность до 11,8%. Обе чернила предназначены для того, чтобы помочь нашим клиентам невероятно быстро достичь высокой эффективности, когда они впервые начинают исследования перовскитов. Мы включили оптимизированные процедуры обработки с обеими чернилами, чтобы максимизировать результаты.
