ТЕМЫ:ЭнергияМатериаловедениеПеровскитовая солнечная батареяФотовольтаикаСолнечные батареи
В последние годы новый тип солнечной технологии казался многообещающим.Солнечные элементы на основе галоидного перовскита обладают высокой производительностью и низкой стоимостью для производства электроэнергии — это два необходимых компонента любой успешной солнечной технологии будущего.Но новые материалы для солнечных элементов также должны соответствовать стабильности солнечных элементов на основе кремния, которые могут похвастаться более чем 25-летней надежностью.
В недавно опубликованном исследовании группа под руководством Хуана-Пабло Корреа-Баэна, доцента Школы материаловедения и инженерии Технологического института Джорджии, показывает, что солнечные элементы на основе галоидного перовскита менее стабильны, чем считалось ранее.Их работа раскрывает тепловую нестабильность, которая происходит в интерфейсных слоях ячеек, а также предлагает путь вперед к надежности и эффективности солнечной технологии на основе галоидных перовскитов.Их исследование, опубликованное на обложке журналаПередовые материалыв декабре 2022 года, имеет непосредственное значение как для ученых, так и для профессионалов отрасли, работающих с перовскитами в фотогальванике, области, связанной с электрическими токами, генерируемыми солнечным светом.
Солнечные элементы на основе перовскита на основе галогенида свинца обещают превосходное преобразование солнечного света в электрическую энергию.В настоящее время наиболее распространенной стратегией достижения высокой эффективности преобразования этих ячеек является обработка их поверхностей большими положительно заряженными ионами, известными как катионы.
Эти катионы слишком велики, чтобы вписаться в решетку перовскита атомного масштаба, и, приземляясь на кристалл перовскита, изменяют структуру материала на границе раздела, где они осаждаются.Возникающие в результате дефекты атомного масштаба ограничивают эффективность извлечения тока из солнечного элемента.Несмотря на осведомленность об этих структурных изменениях, исследования того, стабильны ли катионы после осаждения, ограничены, что оставляет пробел в понимании процесса, который может повлиять на долгосрочную жизнеспособность галоидных перовскитных солнечных элементов.
«Нас беспокоило то, что в течение длительных периодов работы солнечных батарей реконструкция интерфейсов будет продолжаться», — сказал Корреа-Баэна.«Итак, мы стремились понять и продемонстрировать, как этот процесс происходит с течением времени».
Для проведения эксперимента команда создала образец солнечного устройства с использованием типичных перовскитных пленок.Устройство оснащено восемью независимыми солнечными элементами, что позволяет исследователям экспериментировать и генерировать данные на основе производительности каждого элемента.Они исследовали, как клетки будут работать как с катионной обработкой поверхности, так и без нее, и изучили модифицированные катионами поверхности каждой клетки до и после продолжительного термического стресса с использованием методов рентгеновской характеристики на основе синхротрона.
Сначала исследователи подвергли предварительно обработанные образцы воздействию температуры 100 градусов.Цельсияв течение 40 минут, а затем измеряли изменения их химического состава с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии.Они также использовали другой тип рентгеновской технологии, чтобы точно определить, какой тип кристаллической структуры формируется на поверхности пленки.Объединив информацию от двух инструментов, исследователи смогли визуализировать, как катионы диффундируют в решетку и как структура интерфейса меняется под воздействием тепла.
Затем, чтобы понять, как структурные изменения, вызванные катионами, влияют на характеристики солнечных элементов, исследователи использовали спектроскопию корреляции возбуждения в сотрудничестве с Карлосом Сильвой, профессором физики и химии в Технологическом институте Джорджии.Этот метод подвергает образцы солнечных элементов воздействию очень быстрых импульсов света и определяет интенсивность света, излучаемого пленкой после каждого импульса, чтобы понять, как теряется энергия света.Измерения позволяют исследователям понять, какие дефекты поверхности отрицательно сказываются на производительности.
Наконец, команда сопоставила изменения в структуре и оптоэлектронных свойствах с различиями в эффективности солнечных элементов.Они также изучили изменения, вызванные высокими температурами в двух наиболее часто используемых катионах, и наблюдали различия в динамике на их границах раздела.
«Наша работа показала, что существует нестабильность, вызванная обработкой определенными катионами», — сказал Карло Перини, научный сотрудник лаборатории Корреа-Баэна и первый автор статьи.«Но хорошая новость заключается в том, что при правильном проектировании уровня интерфейса мы увидим повышенную стабильность этой технологии в будущем».
Исследователи узнали, что поверхности перовскитных пленок галогенидов металлов, обработанных органическими катионами, продолжают меняться по структуре и составу под воздействием термического стресса.Они увидели, что результирующие изменения атомного масштаба на интерфейсе могут привести к значительной потере эффективности преобразования энергии в солнечных элементах.Кроме того, они обнаружили, что скорость этих изменений зависит от типа используемых катионов, предполагая, что стабильные интерфейсы могут быть в пределах досягаемости при соответствующей инженерии молекул.
«Мы надеемся, что эта работа заставит исследователей протестировать эти интерфейсы при высоких температурах и искать решения проблемы нестабильности», — сказал Корреа-Баэна.«Эта работа должна указать ученым в правильном направлении, в области, где они могут сосредоточиться, чтобы создать более эффективные и стабильные солнечные технологии».