Sumber: ossila.com
Peningkatan pesat sel solar perovskite telah menjadikan mereka bintang dunia fotovoltaik yang semakin meningkat dan minat yang besar terhadap komuniti akademik. Oleh kerana kaedah operasi mereka masih baru, terdapat peluang besar untuk penyelidikan lanjut ke dalam fizik dan kimia asas sekitar perovskite. Lebih-lebih lagi, seperti yang ditunjukkan dalam beberapa tahun kebelakangan ini - penambahbaikan kejuruteraan perovskite dan rutin fabrikasi telah menyebabkan peningkatan ketara dalam kecekapan penukaran kuasa, dengan peranti baru-baru ini mencapai 23%, sehingga Jun 2018.
Apakah Perovskite?
Mengapa Sel Suria Perovskite Sangat Penting?
Masalah Apa yang Perovskites Face?
Fabrikasi dan Pengukuran Sel Suria Perovskite
Masa Depan Perovskites
Panduan Video Fabrik Perovskite
Produk Ossila untuk Sel Suria Perovskite
Rujukan
Bacaan lanjut
Apakah Perovskite?
Istilah "perovskite" dan "struktur perovskite" sering digunakan secara bergantian. Secara teknikal, perovskite adalah jenis mineral yang mula-mula dijumpai di Pegunungan Ural dan dinamakan selepas Lev Perovski (yang merupakan pengasas Persatuan Geografi Rusia). Struktur perovskite adalah sebatian yang mempunyai struktur yang sama dengan mineral perovskite.
Perovskite sejati (mineral) terdiri daripada kalsium, titanium dan oksigen dalam bentuk CaTiO 3 . Sementara itu, struktur perovskite adalah apa-apa yang mempunyai bentuk generik ABX 3 dan struktur kristalografi yang sama seperti perovskite (mineral). Walau bagaimanapun, kerana kebanyakan orang di dunia sel solar tidak terlibat dengan mineral dan geologi, struktur perovskite dan perovskite digunakan secara bergantian.
Susunan kisi perovskite ditunjukkan di bawah. Seperti banyak struktur dalam kristalografi, ia boleh diwakili dalam pelbagai cara. Cara paling mudah untuk memikirkan perovskite adalah sebagai kation atom atau molekul yang besar (bercas positif) jenis A di tengah kiub. Sudut kiub kemudian diduduki oleh atom B (juga kation positif) dan wajah kiub diduduki oleh atom X yang lebih kecil dengan caj negatif (anion).
Struktur kristal perovskite generik ABX3 bentuk. Perhatikan bahawa kedua-dua struktur bersamaan - struktur sebelah kiri dilukis supaya atom B berada di kedudukan <0,0,0> manakala struktur sebelah kanan ditarik supaya atom (atau molekul) A berada di < 0,0,0=""> kedudukan. Juga ambil perhatian bahawa garis-garis adalah panduan untuk mewakili orientasi kristal daripada corak ikatan.
Bergantung pada atom / molekul mana yang digunakan dalam struktur, perovskit boleh mempunyai pelbagai ciri menarik yang menarik, termasuk superkonduktiviti, magnetometer, pengangkutan berputar spin (spintronics) dan sifat pemangkin. Oleh itu, Perovskites mewakili taman permainan yang menarik untuk ahli fizik, ahli kimia dan saintis bahan.
Perovskites mula-mula berjaya digunakan dalam sel-sel solar pepejal pada tahun 2012, dan sejak itu kebanyakan sel telah menggunakan kombinasi bahan berikut dalam bentuk perovskite biasa ABX 3 :
A = Kation organik - methylammonium (CH 3 NH 3 + ) atau formamidinium (NH 2 CHNH 2 + )
B = Kation anorganik yang besar - biasanya membawa (II) (Pb 2+ )
X 3 = Anion halogen yang sedikit lebih kecil - biasanya klorida (Cl - ) atau iodida (I - )
Memandangkan ini adalah struktur yang agak umum, peranti berasaskan perovskite ini juga boleh diberi beberapa nama yang berbeza, yang boleh merujuk kepada kelas bahan yang lebih umum atau kombinasi tertentu. Contohnya, kami telah membuat jadual di bawah untuk menyerlahkan berapa banyak nama yang boleh dibentuk daripada satu struktur asas.
A | B | X 3 |
Organo | Logam | Trihalide (atau trihalida) |
Methylammonium | Memimpin | Iodida (atau triiodide) |
Plumbate | Klorida (atau trichloride) |
Jadual pemilihan nama perovskite : Pilih mana-mana satu item dari lajur A, B atau X 3 untuk menghasilkan nama yang sah. Contoh-contohnya termasuk: Organo-lead-chlorides, Methylammonium-metal-trihalides, organo-plumbate-iodides.
Jadual menunjukkan berapa luas ruang parameter untuk kombinasi bahan / struktur yang potensial, kerana terdapat banyak atom / molekul lain yang boleh digantikan untuk setiap lajur. Pilihan gabungan bahan akan menjadi penting untuk menentukan kedua-dua sifat optik dan elektronik (contohnya bandgap dan spektrum penyerapan yang sepadan, mobiliti, panjang resapan, dll). Pengoptimuman kuasa kasar yang mudah oleh pemeriksaan gabungan di makmal mungkin sangat tidak cekap untuk mencari struktur perovskite yang baik.
Majoriti perovskite yang efisien berdasarkan halida logam Kumpulan IV (khususnya, plumbum), dan bergerak melampaui ini telah terbukti mencabar. Ia mungkin pengetahuan yang lebih mendalam daripada yang sedia ada diperlukan untuk meneroka sepenuhnya struktur struktur perovskite yang mungkin. Sel solar berasaskan perovskite berasaskan utama adalah sangat baik kerana pelbagai faktor, termasuk penyerapan yang kuat dalam rejim yang kelihatan, panjang penyebaran pembawa caj panjang, jurang band yang boleh disesuaikan, dan pembuatan mudah (disebabkan oleh toleransi kecacatan yang tinggi dan keupayaan untuk memproses pada suhu rendah).
Mengapa Sel Suria Perovskite Sangat Penting?
Terdapat dua graf utama yang menunjukkan mengapa perovskite sel solar telah menarik perhatian penting dalam masa yang singkat sejak 2012. Grafik pertama (yang menggunakan data yang diambil dari carta kecekapan sel NREL solar) 1 menunjukkan kecekapan penukaran kuasa perovskite peranti berasaskan sejak beberapa tahun kebelakangan ini, berbanding dengan teknologi penyelidikan fotovoltaik yang muncul, dan juga photovoltaic filem tipis tradisional.
Grafik menunjukkan peningkatan meteorik berbanding kebanyakan teknologi lain dalam tempoh masa yang agak singkat. Dalam tempoh 4 tahun penemuan mereka, sel solar perovskite telah menyamai kecekapan Cadmium Telluride (CdTe), yang telah wujud selama lebih dari 40 tahun. Tambahan pula, pada Jun 2018, mereka kini telah melampaui semua teknologi nipis, bukan penumpu yang lain - termasuk CdTe dan Copper Indium Gallium Selenide (CIGS). Walaupun boleh dikatakan bahawa lebih banyak sumber dan prasarana yang lebih baik untuk penyelidikan sel solar telah tersedia dalam beberapa tahun kebelakangan ini, peningkatan dramatik dalam kecekapan sel solar perovskite masih sangat penting dan mengagumkan.
Sel solar Perovskite telah meningkat dalam kecekapan penukaran kuasa pada kadar yang luar biasa berbanding dengan jenis fotovoltan lain. Walaupun angka ini hanya mewakili "sel-sel wira" berasaskan makmal, ia memberikan janji yang besar.
Grafik utama kedua di bawah adalah voltan litar terbuka berbanding dengan jurang band untuk pelbagai teknologi yang bersaing dengan perovskites. Graf ini menunjukkan berapa banyak tenaga foton hilang dalam proses penukaran dari cahaya ke elektrik. Untuk sel solar berasaskan organik berasaskan excitonik, kerugian ini boleh setinggi 50% daripada tenaga yang diserap, sedangkan sel solar perovskite tetap melebihi 70% penggunaan tenaga foton, dan mempunyai potensi untuk ditingkatkan lagi. 4
Ini menghampiri nilai-nilai teknologi canggih (seperti GaAs), tetapi pada kos yang jauh lebih rendah. Sel solar silikon kristal, boleh dikatakan perbandingan komparator paling dekat kepada perovskit dari segi kecekapan dan kos, sudahpun sampai 1000 kali lebih murah daripada GaAs terkini. 5 Perovskite mempunyai potensi untuk menjadi lebih murah daripada ini.
Pemanfaatan tenaga foton maksimum (ditakrifkan sebagai Voc voltan litar terbuka yang dibahagi dengan bandgap optik Eg) untuk persimpangan tunggal tunggal sistem sel sel tunggal. Dikira dari keadaan sel-sel seni yang terperinci dalam jadual kecekapan NREL.
Masalah Apa yang Perovskites Face?
Isu terbesar dalam bidang perovskit kini adalah ketidakstabilan jangka panjang. Ini telah ditunjukkan kerana laluan degradasi yang melibatkan faktor luaran, seperti air, cahaya, dan oksigen, dan juga akibat ketidakstabilan intrinsik, seperti kemerosotan pada pemanasan, kerana sifat bahan. Untuk gambaran keseluruhan penyebab kemerosotan perovskite, lihat panduan Ossila.
Beberapa strategi telah dicadangkan untuk meningkatkan kestabilan, paling berjaya dengan mengubah pilihan komponen. Menggunakan sistem campuran (contohnya dengan memasukkan kation anorganik seperti rubidium atau cesium) telah ditunjukkan untuk meningkatkan kedua-dua kestabilan dan kecekapan. Sel perovskite pertama melebihi kecekapan 20% menggunakan sistem kation organik campuran, dan banyak sistem kecekapan tertinggi yang diterbitkan baru-baru ini menggunakan komponen anorganik. Pergerakan ke arah lapisan interfacial hidrofobik, UV yang stabil juga telah meningkatkan kestabilan - contohnya dengan menggantikan TiO 2 , yang mudah terdedah kepada degradasi UV, dengan Stabilitas SnO 2 juga telah dipertingkatkan melalui penggunaan pasifasi permukaan dan dengan menggabungkan perovskit berlapis 2D (Ruddlesden-Popper) (yang menunjukkan kestabilan intrinsik yang lebih baik, tetapi prestasi yang lebih buruk) dengan perovskites 3D konvensional. Usaha-usaha ini (bersama-sama dengan faktor seperti enkapsulasi yang lebih baik) telah meningkatkan kestabilan perovskit sejak pengenalan awal mereka, dan hayat hidup dalam perjalanan untuk memenuhi standard perindustrian - dengan kerja-kerja baru-baru ini yang menunjukkan sel-sel mampu menahan ujian panas lembap 1000 jam. Untuk perbincangan kaedah yang lebih mendalam untuk meningkatkan kestabilan perovskite , lihat panduan Ossila.
Perovskite 3D konvensional (kiri) berbanding dengan struktur perovskite 2D generik (kanan).
Satu lagi isu yang belum dapat diatasi sepenuhnya ialah penggunaan plumbum dalam sebatian perovskite. Walaupun ia digunakan dalam kuantiti yang lebih kecil daripada yang ada sekarang dalam bateri berasaskan plumbum atau kadmium, kehadiran produk utama untuk kegunaan komersil bermasalah. Kekhawatiran masih berlaku mengenai pendedahan kepada sebatian utama toksik (melalui pelupusan perovskite ke alam sekitar), dan beberapa kajian telah mencadangkan pelaksanaan secara besar-besaran perovskit akan memerlukan pembendungan produk degradasi yang lengkap. Sebaliknya, penilaian kitar hayat lain mendapati kesan ketoksikan plumbum dapat diabaikan berbanding dengan bahan lain dalam sel (seperti katod).
Terdapat juga potensi untuk alternatif utama yang akan digunakan dalam sel solar perovskite (seperti perovskit berasaskan timah), tetapi kecekapan penukaran kuasa peranti sedemikian masih jauh di belakang peranti berasaskan plumbum, dengan rekod untuk perovskite berasaskan timah kini berdiri pada 9.0%. Sesetengah kajian juga telah membuat kesimpulan bahawa timah sebenarnya mempunyai ketoksikan alam sekitar yang lebih tinggi berbanding dengan plumbum, dan lain-lain alternatif yang kurang toksik diperlukan.
Satu lagi isu utama dari segi prestasi adalah histerisis voltan semasa yang biasa dilihat dalam peranti. Faktor-faktor yang mempengaruhi histeresis masih dalam perdebatan, tetapi ia paling sering dikaitkan dengan penghijrahan ion bergerak dalam kombinasi dengan tahap rekombinasi yang tinggi. Kaedah untuk mengurangkan histeresis merangkumi pelbagai seni bina sel, pasifasi permukaan, dan peningkatan kandungan iodida plumbum, serta strategi umum untuk mengurangkan penggabungan semula.
Penghampiran hysteresis voltan semasa sering ditemui di sel solar perovskite.
Untuk membolehkan kos per watt yang benar-benar rendah, sel solar perovskite perlu mencapai trio yang sangat digemari dengan kecekapan yang tinggi, jangka hayat yang lama, dan kos pengeluaran yang rendah. Ini belum dicapai untuk teknologi filem nipis lain, tetapi peranti berasaskan perovskite kini menunjukkan potensi yang sangat besar untuk mencapai ini.
Fabrikasi dan Pengukuran Sel Suria Perovskite
Walaupun perovskit berasal dari dunia kristalografi yang seolah-olah berbeza, mereka boleh dimasukkan dengan mudah ke dalam OPV (atau seni nipis lain) standard. Sel solar pertama perovskite didasarkan pada sel solar yang sensitif pewarna keadaan pepejal (DSSCs), dan menggunakan pelopor TiO 2 yang mesoporous. Banyak sel sejak telah mengikuti templat ini atau menggunakan perancah Al 2 O 3 dalam seni bina 'meso-superstructured', tetapi langkah suhu tinggi yang diperlukan untuk pembuatan dan ketidakstabilan UV TiO 2 , membawa kepada pengenalan seni bina 'planar' yang serupa untuk sel-sel filem nipis yang lain. Selepas beberapa tahun ketinggalan sel mesoporous dari segi kecekapan, perovskit planar kini hampir sama dengan cekap.
Struktur generik sel perovskite konvensional dan terbalik dan mesoporous (konvensional).
Filem perovskite itu sendiri biasanya diproses oleh sama ada vakum atau kaedah penyelesaian. Kualiti filem sangat penting. Pada mulanya, filem yang didepositkan vakum memberi peranti terbaik, tetapi proses ini memerlukan penyejatan komponen organik (methylammonium) pada masa yang sama dengan komponen tak organik (lead halide), yang memerlukan ruang penyejatan pakar yang tidak tersedia untuk banyak penyelidik . Akibatnya, terdapat usaha yang ketara dalam meningkatkan peranti pemprosesan penyelesaian, kerana ini lebih mudah dan membolehkan pemprosesan suhu rendah, dan ini kini sel-sel yang disetorkan vakum yang sama dari segi kecekapan.
Biasanya, lapisan aktif sel solar perovskite didepositkan melalui proses satu atau dua langkah. Dalam proses satu langkah, penyelesaian prekursor (seperti campuran CH 3 NH 3 I dan PbI 2 ) disalut yang kemudiannya ditukar kepada filem perovskite semasa pemanasan. Variasi ini adalah kaedah 'antisolvent', di mana penyelesaian prekursor disalut dalam pelarut polar, dan kemudian dipadamkan semasa proses salutan putaran oleh pelarut bukan kutub. Pemasaan tepat untuk menghilangkan dan jumlah pelarut pelindapkejutan diperlukan untuk memberikan prestasi optimum. Untuk membantu dengan ini, kami membina Pam Ossila Syringe , yang membolehkan kami menggunakan proses pelindapkejutan ini untuk mendorong nilai kecekapan penukaran kuasa dalaman lebih dari 16%.
Dalam proses dua langkah, halida logam (seperti PbI 2 ) dan komponen organik (seperti CH 3 NH 3 I) adalah bersalut berputar di filem-filem seterusnya yang berasingan. Sebagai alternatif, filem halida logam boleh dilapisi dan disembur di ruang yang diisi dengan wap komponen organik, yang dikenali sebagai 'proses penyelesaian dibantu vakum' (VASP).
Pengiraan kaedah pelindapkejutan anti pelarut sering digunakan untuk melekatkan perovskit dalam proses satu langkah dari penyelesaian pendahulunya.
Kebanyakan perovskite yang canggih adalah berdasarkan struktur oksida / ETL / Perovskite / HTL / logam transparan yang telus, masing-masing ETL dan HTL merujuk kepada lapisan pengangkutan-elektron dan lapisan pengangkutan-lubang. Lapisan pengangkutan tipikal khas termasuk Spiro-OMeTAD atau PEDOT: PSS , dan lapisan pengangkutan elektron biasa termasuk TiO 2 atau SnO 2 . Memahami dan mengoptimumkan tahap tenaga dan interaksi bahan-bahan yang berbeza di antara muka ini menawarkan kawasan penyelidikan yang sangat menarik yang masih dibincangkan.
Isu-isu utama untuk fabrikasi peranti praktikal sel solar perovskite adalah kualiti dan ketebalan filem. Lapisan perovskit (aktif) perovskite perlu menjadi beberapa ratus nanometer tebal - beberapa kali lebih banyak untuk standard photovoltaic organik , dan mewujudkan lapisan tebal seperti dengan keseragaman yang tinggi boleh menjadi sukar. Kecuali keadaan pemendapan dan penyepuhlindapan yang dioptimumkan, permukaan kasar dengan liputan tidak lengkap akan terbentuk. Walaupun dengan pengoptimuman yang baik, masih terdapat kekasaran permukaan yang ketara. Oleh itu, lapisan antara muka yang lebih tebal daripada yang biasa digunakan juga diperlukan. Penambahbaikan terhadap kualiti filem telah dicapai melalui pelbagai kaedah. Satu kaedah sedemikian ialah penambahan jumlah asid yang kecil, seperti asid hydroiodic atau hydrobromic, sebelum ini dibincangkan dalam jawatan tentang kesucian MAI vs kelarutan ketara klorida , atau lebihan pendahulunya iodida plumbum.
Melalui usaha penyelidikan yang luas, kecekapan lebih dari 22% telah dicapai menggunakan salutan spin , dan kecekapan yang tinggi juga telah dicapai dengan menggunakan teknik pemprosesan penyelesaian lain (seperti lapisan slot mati ). Ini menunjukkan bahawa pemprosesan penyelesaian berskala besar perovskites sangat sesuai.
Masa Depan Perovskites
Penyelidikan masa depan ke dalam perovskit mungkin akan memberi tumpuan kepada pengurangan penggabungan semula melalui strategi seperti pembukaan dan pengurangan kecacatan, serta meningkatkan kecekapan melalui kemasukan perovskit 2D dan bahan antara muka optimum yang lebih baik. Lapisan pengecasan caj mungkin akan bergerak dari bahan organik ke tak organik, untuk meningkatkan kecekapan dan kestabilan. Meningkatkan kestabilan dan pengurangan kesan impak alam sekitar mungkin akan terus menjadi bidang kepentingan yang penting.
Walaupun pengkomersialan sel solar perovskite mandiri masih menghadapi halangan dari segi fabrikasi dan kestabilan, penggunaannya dalam sel-sel tandem c-Si / perovskit telah berkembang dengan pesat (dengan kecekapan melebihi 25% dicapai) dan kemungkinan besar perovskit akan melihat pasaran PV sebagai sebahagian daripada struktur ini. Di luar suria, masih terdapat potensi yang signifikan untuk penggunaan perovskit dalam aplikasi lain, seperti dioda pemancar cahaya dan kenangan rintangan.
Panduan Video Fabrik Perovskite
Bagi mereka yang baru memulakan penyelidikan perovskite mereka, kami telah menghasilkan panduan video yang menunjukkan keseluruhan proses fabrikasi dan pengukuran photovoltaic perovskite. Di makmal kami sendiri, kami telah mencapai kecekapan melebihi 11% menggunakan rutin fabrikasi tertentu ini. Video di bawah ini menampilkan model yang lebih lama, yang dihentikan daripada Ossila Spin Coater - untuk melihat model semasa, anda boleh melawat laman produk di sini .
Produk Ossila untuk Sel Suria Perovskite
Pelantar Prototaiping Solar Cell yang memenangi anugerah Ossila menyampaikan aplikasi ilmiah yang teladan dan kesan dalam penyelidikan sel solar. Ia adalah koleksi koordinat substrat, bahan, dan peralatan ujian sebagai sebahagian daripada seni bina rujukan fotovoltaik standard yang tinggi. Ia membolehkan para penyelidik menghasilkan sel suria yang berfungsi dengan baik, yang boleh digunakan sebagai garis dasar yang boleh dipercayai.
Sebagai penyelidik dan saintis kita sendiri, kita memahami bagaimana memakan waktu itu adalah untuk mendapatkan kepakaran mengenai semua bahan, proses, dan teknik yang diperlukan untuk menghasilkan peranti berkualiti tinggi - dan bagaimana walaupun usaha terbaik anda, kadang-kadang boleh menyebabkan tidak konsisten dan tidak -makan hasil semula.
Kami membangunkan platform ini dengan tujuan membolehkan anda memberi tumpuan kepada penyelidikan anda (bukannya merancang / mendapatkan semua komponen anda sendiri) dan meniru garis dasar prestasi. Manfaat penting dari platform ini adalah penyediaan substrat ITO yang diprogramkan dan peralatan pemprosesan tinggi - menghasilkan peningkatan yang signifikan dalam kadar pengeluaran anda untuk peranti sel solar - dengan itu membantu anda mengumpul lebih banyak data, lebih cepat. Oleh itu, lebih banyak jenis bahan baru atau variasi seni bina boleh diuji dan lebih banyak data statistik dapat dikumpulkan - memastikan konsistensi dan ketepatan.
Pada paras yang paling asas, kebanyakan sel suria berasaskan perovskite berasaskan kepada substrat kaca bersalut oksida konduktif telus dengan katod logam sejat dan enkapsulasi atas. Oleh itu, infrastruktur substrat sedia ada dan bahan perovskite sudah digunakan dalam peranti perovskite yang diproses dengan penyelesaian berprestasi tinggi. Epoksi enkapsulasi standard kami juga sangat sesuai untuk kaca laminasi atau lapisan penghalang lain - seperti yang digunakan dalam kertas Alam Snaith 2014.
The Spin Coat Ossila secara rutin digunakan untuk pemendapan antara muka dan lapisan aktif kami dengan ketepatan yang tinggi dan operasi mudah.
Rakan yang sangat berguna kepada Spin Coater (gambar di atas) ialah Pam Ossila Syringe . Ia boleh digunakan untuk mendispensing dan melonggarkan lapisan perovskite secara automatik untuk mendapatkan filem berkualiti tinggi. Rakan akademik kami juga telah membuat beberapa kemajuan yang menarik pada sel suria perovskite yang diproses secara penyelesaian melalui salutan semburan ke substrat standard kami. Tambahan pula, sel solar perovskite sedang dicirikan menggunakan Sistem Ujian Sel Cell Ossila IV , yang secara automatik mengira metrik peranti dan boleh melakukan pengukuran kestabilan.
I101 Perovskite dakwat boleh didapati dari Ossila. Ia dibungkus sebagai 10 botol individu yang mengandungi 0.5 ml larutan. Ini mampu menyalut sehingga 160 substrat. I101 juga boleh dibeli secara pukal (30 ml), dengan diskaun 25% berbanding dengan saiz pesanan standard kami.
Selama beberapa bulan kebelakangan ini, kami juga telah bekerjasama dengan kolaborator akademik kami untuk membawa lebih banyak produk berasaskan perovskite ke pasaran, termasuk: Kemurnian tinggi Methylammonium Iodide, Methylammonium Bromide , Formamidinium Iodide , dan Formamidinium Bromide. Kami juga telah mengeluarkan set pertama dakwat perovskite, yang pertama adalah I101 (MAI: PbCl 2 ), direka untuk diproses di udara dan telah menunjukkan kecekapan dalam makmal kita sehingga 11.7%. Dakwat kedua kami, I201 (MAI: PbCl 2 : PbI 2 ) adalah untuk diproses dalam suasana nitrogen, dan setakat ini kita telah melihat kecekapan sehingga 11.8%. Kedua-dua dakwat direka untuk membantu pelanggan kami mencapai kecekapan yang tinggi sangat cepat apabila mula-mula bermula dengan penyelidikan perovskite mereka. Kami termasuk rutin pemprosesan yang dioptimumkan dengan kedua-dua dakwat untuk memaksimumkan hasil.
