Källa: ossila.com
Den snabba förbättringen av perovskit-solceller har gjort dem till den stigande stjärnan i fotovoltaikvärlden och av stort intresse för det akademiska samhället. Eftersom deras operativa metoder fortfarande är relativt nya finns det bra möjligheter för vidare forskning i grundfysik och kemi kring perovskites. Dessutom har, som det har visats under de senaste åren, de tekniska förbättringarna av perovskitformuleringar och tillverkningsrutiner lett till betydande ökningar av effektomvandlingseffektiviteten, med de senaste enheterna över 23%, från och med juni 2018.
Vad är Perovskites?
Varför är Perovskite solceller så signifikanta?
Vilka frågor gör Perovskites Face?
Tillverkning och mätning av Perovskite solceller
Perovskites framtid
Perovskite Fabrication Video Guide
Ossila produkter för perovskite solceller
referenser
Vidare läsning
Vad är Perovskites?
Begreppen "perovskite" och "perovskite struktur" används ofta omväxlande. Tekniskt sett är en perovskit en typ av mineral som hittades först i Uralberget och uppkallat efter Lev Perovski (som var grundare till det ryska geografiska samhället). En perovskitstruktur är vilken förening som helst som har samma struktur som perovskitmineralet.
Sann perovskit (mineral) består av kalcium, titan och syre i form CaTiO 3 . Under tiden är en perovskitstruktur något som har den generiska formen ABX 3 och samma kristallografiska struktur som perovskit (mineral). Men eftersom de flesta människor i solcellsvärlden inte är involverade i mineraler och geologi används perovskit och perovskitstruktur utbytbart.
Perovskite gitter arrangemanget visas nedan. Som med många strukturer i kristallografi kan den representeras på flera sätt. Det enklaste sättet att tänka på en perovskit är som en stor atom eller molekylär katjon (positivt laddad) av typ A i mitten av en kub. Kubens hörn upptas sedan av atomer B (även positivt laddade katjoner) och kubens ansikten upptas av en mindre atom X med negativ laddning (anjon).
En generisk perovskit kristallstruktur av formen ABX3. Observera att de två strukturerna är likvärdiga - den vänstra strukturen är ritad så att atom B ligger i läget <0,0,0> medan den högra strukturen är ritad så att atomen (eller molekylen) A är vid < 0,0,0=""> position. Observera också att linjerna är en guide för att representera kristallorientering snarare än bindningsmönster.
Beroende på vilka atomer / molekyler som används i strukturen kan perovskiter ha en imponerande mängd intressanta egenskaper, inklusive superledande, gigantisk magnetoresistans, spin-beroende transport (spintronics) och katalytiska egenskaper. Perovskites representerar därför en spännande lekplats för fysiker, kemister och materialforskare.
Perovskites användes först framgångsrikt i solcells-solceller under 2012, och sedan dess har de flesta celler använt följande kombination av material i den vanliga perovskitformen ABX 3 :
A = En organisk katjon-metylammonium (CH3NH3 + ) eller formamidinium (NH2CHNH2 + )
B = En stor oorganisk katjon - brukar leda (II) (Pb 2+ )
X 3 = En något mindre halogenanjon - vanligtvis klorid (Cl-) eller jodid (I - )
Eftersom det här är en relativt generell struktur kan dessa perovskitbaserade anordningar också ges ett antal olika namn, som antingen kan referera till en mer generell klass av material eller en specifik kombination. Som ett exempel på detta har vi skapat tabellen nedan för att markera hur många namn som kan bildas från en grundläggande struktur.
en | B | X 3 |
organo | Metall | Trihalid (eller trihalid) |
metylammonium | Leda | Jodid (eller triiodid) |
plumbater | Klorid (eller triklorid) |
Perovskites namnplockningsbord : Välj ett objekt från kolumnerna A, B eller X 3 för att få ett giltigt namn. Exempel innefattar: Organ-bly-klorider, metylammonium-metall-trihalider, organo-plumbat-jodider etc.
Tabellen visar hur stor parameterparametern är för potentiella material / strukturkombinationer, eftersom det finns många andra atomer / molekyler som kan ersättas för varje kolonn. Valet av materialkombinationer är avgörande för att bestämma både de optiska och elektroniska egenskaperna (t ex bandgap och motsvarande absorptionsspektra, rörlighet, diffusionslängder mm). En enkel brute-force optimering genom kombinatorisk screening i labbet är troligen mycket ineffektiv för att hitta bra perovskitstrukturer.
Majoriteten av effektiva perovskites är baserade på grupp IV (specifikt bly) metallhalogenider, och det är svårt att gå bortom detta. Det är troligt mer djupgående kunskap än vad som för närvarande är tillgängligt för att fullt ut kunna utforska utbudet av möjliga perovskitstrukturer. Blybaserade perovskitbaserade solceller är särskilt bra på grund av en rad faktorer, däribland stark absorption i det synliga systemet, långa laddningsdämpningsdiffusionslängder, ett avstämbart bandgap och lätt framställning (på grund av den höga defekttoleransen och förmåga att bearbeta vid låga temperaturer).
Varför är Perovskite solceller så signifikanta?
Det finns två nyckelgrafer som visar varför perovskit-solceller har dragit så stor uppmärksamhet på kort tid sedan 2012. Den första av dessa diagram (som använder data som tagits från NREL-solcellernas effektivitetsdiagram) 1 demonstrerar perovskites effektomvandlingseffektivitet baserade enheter under de senaste åren, i jämförelse med framväxande fotovoltaisk forskningsteknik, och även traditionell tunnfilm solceller.
Diagrammet visar en meteorisk ökning jämfört med de flesta andra teknologier under en relativt kort tidsperiod. Inom 4 år efter sitt genombrott hade perovskit-solceller likat effektiviteten av kadmiumt Telluride (CdTe), som har funnits i över 40 år. Vidare har de från och med juni 2018 överskridit alla andra tunna film, icke-koncentratorteknologier - inklusive CdTe och Copper Indium Gallium Selenide (CIGS). Även om det skulle kunna hävdas att mer resurser och bättre infrastruktur för solcellsforskning har varit tillgängliga under de senaste åren är den dramatiska ökningen av solcellseffektiviteten perovskit fortfarande oerhört signifikant och imponerande.
Perovskite solceller har ökat i effektomvandlingseffektivitet i en fenomenal takt jämfört med andra typer av solceller. Även om den här siffran endast representerar labbaserade "hjältceller", det härdar ett stort löfte.
Den andra nyckelfiguren nedan är spänningsspänningen i förhållande till bandgapet för en rad teknologier som konkurrerar mot perovskites. Detta diagram visar hur mycket av en fotons energi som förloras i omvandlingsprocessen från ljus till el. För standardbaserade excitonbaserade, organiska baserade solceller kan denna förlust vara så hög som 50% av den absorberade energin, medan perovskit-solceller regelbundet överstiger 70% fotonutnyttjande och har potential att öka ytterligare. 4
Detta närmar sig värdena av state-of-the-art teknik (som GaAs), men till en betydligt lägre kostnad. Kristallina kisel solceller, förmodligen den närmaste jämföraren med perovskites vad gäller effektivitet och kostnad, är redan upp till 1000 gånger billigare än toppmoderna GaAs. 5 Perovskites har potential att bli ännu billigare än detta.
Det maximala fotonergianvändningen (definierad som den öppna kretsspänningen Voc dividerad med det optiska bandgapet Eg) för vanliga enkelkorsningssystem med solceller. Beräknat från toppmoderna celler som beskrivs i NREL-effektivitetstabeller.
Vilka frågor gör Perovskites Face?
Den största frågan inom perovskites är för närvarande långsiktig instabilitet. Detta har visats bero på nedbrytningsvägar som inbegriper yttre faktorer, såsom vatten, ljus och syre, och även som ett resultat av inneboende instabilitet, såsom nedbrytning vid uppvärmning, på grund av materialets egenskaper. För en översikt över orsakerna till perovskitnedbrytning, se Ossilas guide.
Flera strategier har föreslagits för att förbättra stabiliteten, mest framgångsrikt genom att ändra komponentval. Användning av blandade katjonsystem (till exempel genom att inkludera oorganiska katjoner såsom rubidium eller cesium) har visat sig förbättra både stabilitet och effektivitet. De första perovskitcellerna som överskrider 20% effektivitet använde ett blandat organiskt katjonsystem, och många av de högsta effektivitetssystem som publicerats använder nyligen oorganiska komponenter. Förflyttning mot hydrofoba, UV-stabila gränsvärden har också förbättrat stabilitet - till exempel genom att ersätta TiO 2 , som är mottaglig för UV-nedbrytning, med SnO 2- stabilitet har också förbättrats genom användning av ytpassivation och genom att kombinera 2D-skiktade (Ruddlesden-Popper) perovskites (som visar bättre inneboende stabilitet men sämre prestanda) med konventionella 3D perovskites. Dessa insatser (tillsammans med faktorer som bättre inkapsling) har förbättrat stabiliteten hos perovskiterna sedan deras första introduktion, och livslängden är väl på väg att uppfylla industristandarder - med det senaste arbetet som visar att celler kan klara ett 1000-timmars fuktighetsvärdeprov. För en mer djupgående diskussion om metoder för att förbättra perovskitstabiliteten , se Ossilas guide.
Konventionell 3D perovskite (vänster) jämfört med en generisk 2D perovskite struktur (höger).
Ett annat problem som ännu inte behandlas är användningen av bly i perovskitföreningar. Även om den används i mycket mindre kvantiteter än de som finns närvarande i antingen bly- eller kadmiumbaserade batterier, är förekomsten av bly i produkter för kommersiell användning problematisk. Bekymringen kvarstår fortfarande om exponering för giftiga blyföreningar (genom utkolning av perovskiten i miljön) och vissa studier har föreslagit att storskalig implementering av perovskiter skulle kräva fullständig inneslutning av nedbrytningsprodukter. Däremot har andra livscykelanalyser visat att toxiciteten hos bly är försumbar jämfört med andra material i cellen (såsom katoden).
Det finns också potential för ett ledningsalternativ som kan användas i perovskit-solceller (såsom tennbaserade perovskites), men effektomvandlingseffektiviteten hos sådana enheter är fortfarande betydligt bakom blybaserade enheter, med rekordet för en tennbaserad perovskit står för närvarande vid 9,0%. Vissa studier har också dragit slutsatsen att tenn faktiskt kan ha en högre miljotoxicitet än bly, och andra mindre giftiga alternativ krävs.
En annan viktig fråga när det gäller prestanda är den nuvarande spänningshysteres som vanligtvis ses i enheter. De faktorer som påverkar hysteres diskuteras fortfarande, men det är oftast hänförligt till mobiljonmigration i kombination med höga nivåer av rekombination. Metoder för att reducera hysteres innefattar varierande cellarkitektur, ytpassivation och ökande blyjodidhalt, såväl som allmänna strategier för att minska rekombinationen.
En approximation av strömspänningshysteres som ofta uppträder i perovskit-solceller.
För att möjliggöra en väldigt låg kostnad per watt måste perovskite solceller ha uppnått den mycket omtalade trioen av hög effektivitet, lång livslängd och låga tillverkningskostnader. Detta har ännu inte uppnåtts för annan tunnfilmsteknik, men perovskitbaserade enheter demonstrerar för närvarande en enorm potential för att uppnå detta.
Tillverkning och mätning av Perovskite solceller
Även om perovskiter kommer från en till synes annorlunda kristallografi, kan de integreras mycket enkelt i en vanlig OPV-arkitektur (eller annan tunnfilm) -arkitektur. De första perovskit-solcellerna baserades på solstrålsensibiliserade solceller (DSSCs) i fast tillstånd och använde sålunda en mesoporös TiO 2- byggnadsställning. Många celler har sedan följt denna mall eller använt en Al 2 O 3- byggnadsställning i en "meso-superstrukturerad" arkitektur, men de högtemperatursteg som krävs för tillverkning och UV-instabilitet av TiO 2 ledde till införandet av en "plan" arkitektur liknande till andra tunnfilmceller. Efter flera års eftersläpning bakom mesoporösa celler med avseende på effektivitet är plana perovskiter nu nästan lika effektiva.
Generiska strukturer av konventionella / inverterade plana och mesoporösa (konventionella) perovskitceller.
Perovskitfilmen själv behandlas typiskt genom antingen vakuum eller lösningsmetoder. Filmkvalitet är mycket viktig. Inledningsvis gav vakuumdeponerade filmer de bästa anordningarna, men denna process kräver samindunstning av den organiska (metylammonium) -komponenten samtidigt som de oorganiska komponenterna (blyhalogenid), vilket kräver särskilda förångningskamrar som inte är tillgängliga för många forskare . Som ett resultat har det gjorts betydande ansträngningar för att förbättra lösningsbehandlade anordningar, eftersom dessa är enklare och möjliggör bearbetning av låg temperatur, och dessa motsvarar nu vakuumdeponerade celler med avseende på effektivitet.
Typiskt deponeras det aktiva skiktet av en perovskit-solcell via antingen ett eller två stegs process. I enstegsprocessen beläggs en prekursorlösning (såsom en blandning av CH3NH3I och PbI2) som sedan omvandlas till perovskitfilmen vid uppvärmning. En variation på detta är "antisolvent" -metoden, i vilken prekursorlösningen belägges i ett polärt lösningsmedel och släckes sedan under spinbeläggningsprocessen med ett icke-polärt lösningsmedel. Exakta tidpunkter för släckningen och volymen av släckningslösningsmedlen krävs för att ge optimal prestanda. För att hjälpa till med detta byggde vi Ossila syrspumpen , som har gjort det möjligt för oss att använda denna släckningsprocess för att driva effektiva värden för effektomvandling över 16%.
I tvåstegsprocessen spin-beläggs metallhalogeniden (såsom PbI2) och organiska komponenter (såsom CH3NH3I) i separata efterföljande filmer. Alternativt kan metallhalogenidfilmer beläggas och härdas i en kammare fylld med den organiska komponentångan, känd som "vakuumassisterad lösningsprocess" (VASP).
En approximation av anti-lösningsmedels-släckningsmetoden användes ofta för att belägga perovskiter i ett enstegsförfarande från en prekursorlösning.
De flesta state-of-the-art perovskites är baserade på en genomskinlig ledande oxid / ETL / Perovskite / HTL / metallstruktur, varav ETL och HTL refererar till elektrontransport och håltransportlager. Typiska håltransportlager innefattar Spiro-OMeTAD eller PEDOT: PSS , och typiska elektron-transportskikt innefattar Ti02 eller SnO2. Att förstå och optimera energinivåerna och interaktionerna hos olika material vid dessa gränssnitt erbjuder ett mycket spännande forskningsområde som fortfarande diskuteras.
Huvudproblemen för tillverkning av perovskite solceller är filmkvalitet och tjocklek. Det lätta skörda (aktiva) perovskitskiktet måste vara flera hundra nanometer tjocka - flera gånger mer än för stående organiska solceller , och det kan vara svårt att skapa sådana tjocka skikt med hög uniformitet. Om inte deponeringsförhållandena och glödgningstemperaturen optimeras, bildas grova ytor med ofullständig täckning. Även med bra optimering kommer det fortfarande att finnas en betydande ytråhet kvar. Därför behövs också tjockare gränssnittskikt än vad som normalt används. Förbättringar av filmkvalitet har uppnåtts genom olika metoder. En sådan metod är tillsatsen av små mängder syror, såsom hydrojod- eller bromvätesyra, som tidigare diskuterats i en post om renheten av MAI vs blykloridlöslighet eller överskott av blyjodidprekursor.
Genom omfattande forskningsinsatser har effektiviseringar på över 22% uppnåtts med hjälp av spinbeläggning , och höga effektiviteter har också uppnåtts med användning av andra lösningsmedelsmetoder (till exempel luck-die-beläggning ). Detta tyder på att storskalig lösningshantering av perovskiter är mycket genomförbar.
Perovskites framtid
Framtida forskning kring perovskites kommer sannolikt att fokusera på minskning av rekombination genom strategier som passivisering och minskning av defekter, samt ökning av effektiviteten genom införande av 2D perovskites och bättre optimerade gränssnittsmaterial. Charge-extraktionsskikten kommer sannolikt att flytta sig från organiska material till oorganiska, för att förbättra både effektivitet och stabilitet. Förbättrad stabilitet och minskning av blybelastningens miljöpåverkan kommer sannolikt att fortsätta att vara viktiga intresseområden.
Även om kommersialiseringen av fristående perovskit-solceller fortfarande står inför hinder i form av tillverkning och stabilitet, har deras användning i tandem c-Si / perovskitceller fortskridit snabbt (med effektivitet över 25% uppnådd) och det är troligt att perovskiter först kommer att se PV-marknaden som en del av denna struktur. Utöver solenergi finns det fortfarande stor potential för användning av perovskiter i andra tillämpningar, såsom ljusdioder och resistiva minnen.
Perovskite Fabrication Video Guide
För dem som precis börjat sin perovskite-forskning, har vi tagit fram en videoguide som demonstrerar hela processen att tillverka och mäta perovskite photovoltaics. I våra egna laboratorier har vi uppnått effektivitet över 11% med hjälp av denna speciella tillverkningsrutin. Videon nedan har en äldre, avbruten modell av Ossila Spin Coater - för att se aktuell modell, kan du besöka produktsidan här .
Ossila produkter för perovskite solceller
Ossila prisbelönta Solar Cell Prototyping Platform ger exemplarisk vetenskaplig tillämpning och påverkan i solcellsforskning. Det är en sammanhängande samling av substrat, material och testutrustning som en del av en högpresterande standard fotovoltaisk referensarkitektur. Det gör det möjligt för forskare att producera högkvalitativa, helt funktionella solceller som kan användas som en pålitlig baslinje.
Som forskare och forskare själva förstår vi hur tidskrävande det är att få kompetens över alla material, processer och tekniker som krävs för att producera en högkvalitativ enhet - och hur kan det ibland leda till inkonsekvent och icke -reproducerbara resultat.
Vi har utvecklat den här plattformen för att du ska kunna fokusera på din forskning (istället för att designa / köpa alla dina egna komponenter) och kopiera en prestationsbaslinje. En betydande fördel med denna plattform är tillhandahållandet av pre-mönstrade ITO-underlag och högproduktbehandlingsutrustning, vilket resulterar i en betydande ökning av produktionshastigheten för solcellsenheter, vilket hjälper dig att samla in mer data, mycket snabbare. Som sådan kan fler typer av nya material eller arkitekturvariationer testas och mer statistisk data kan samlas in - säkerställa konsistens och noggrannhet.
På den mest grundläggande nivån är de flesta perovskitbaserade solcellerna baserade på ett transparent ledande oxidbelagt glasunderlag med indunstad metallkatod och toppinkapsling. Som sådan används redan vår befintliga substratinfrastruktur och perovskitmaterial i högpresterande lösningsbehandlade perovskite-enheter. Vår standardkapslingsepoxi passar också perfekt för lamineringsglas eller andra barriärskikt - som används i Snaiths 2014 Naturpapper.
Ossila Spin Coater används rutinmässigt för deponering av vårt gränssnitt och aktiva lager med hög noggrannhet och enkel drift.
En väldigt användbar kompanjon till Spin Coater (bilden ovan) är Ossila Spruta Pump . Den kan användas för automatisk dosering och släckning av våra perovskitskikt för att erhålla högkvalitativa filmer. Våra akademiska kollegor har också gjort några spännande framsteg på lösningsbehandlade perovskite solceller via spraybeläggning på våra standardunderlag. Vidare karakteriseras perovskite solceller med hjälp av Ossila Solar Cell IV Test System , som automatiskt beräknar enhetens mätvärden och kan utföra stabilitetsmätningar.
I101 Perovskite bläck tillgänglig från Ossila. Den är förpackad som 10 individuella ampuller innehållande 0,5 ml lösning. Detta kan täcka upp till 160 substrat. I101 kan också köpas i bulk (30 ml), med 25% rabatt jämfört med våra vanliga beställningsstorlekar.
Under de senaste månaderna har vi också arbetat med våra akademiska samarbetspartners för att marknadsföra fler perovskitbaserade produkter, bland annat: Methylammoniumjodid, metylammoniumbromid , formamidiniumjodid och formamidiniumbromid med hög renhet. Vi har också släppt vår första uppsättning perovskitfärger, den första av dessa är I101 (MAI: PbCl 2 ), är konstruerad för att behandlas i luft och har visat effektivitet i våra laboratorier upp till 11,7%. Vårt andra bläck, I201 (MAI: PbCl 2 : PbI 2 ) är för mulerat att behandlas i kväveatmosfär, och hittills har vi sett effektivitet upp till 11,8%. Båda bläckarna är utformade för att hjälpa våra kunder att nå hög effektivitet otroligt snabbt när de börjar med sin perovskites-forskning. Vi inkluderar optimerade behandlingsrutiner med båda färgerna för att maximera resultat.
