Структура перовскитового солнечного элемента и принцип действия перовскитного солнечного элемента

Металлоорганический галогенидный солнечный элемент с перовскитной структурой представляет собой солнечный элемент с полностью твердой структурой перовскита в качестве светопоглощающего материала и имеет высокий энергетический зазор около 1,5 эВ, а пленка толщиной в несколько сотен нанометров может полностью поглощать менее 800 нм. Он имеет важную перспективу применения в области фотоэлектрического преобразования. Перовскитные солнечные элементы известны как «новые надежды в области фотоэлектрической энергии» из-за их хорошего поглощения и скорости передачи заряда, а также огромного потенциала развития. По мере того как данные об эффективности аккумуляторов продолжают обновляться, продолжают появляться новые исследования перовскитных аккумуляторов, охватывающие конструктивную конструкцию, рабочие механизмы и оптимизацию всех аспектов производственного процесса.

Структура солнечного элемента из перовскита

Солнечный элемент со структурой металлоорганического галогенида перовскита представляет собой солнечный элемент, имеющий полностью твердую структуру перовскита в качестве светопоглощающего материала. Процесс подготовки материала прост и невысок. Материал перовскита имеет структуру ABX3, в которой A - органический катион, B - ион металла и X - группа галогена. В этой структуре атом металла B расположен в центре кубической элементарной ячейки, атом галогена X расположен на грани куба, а органический катион A расположен на вершине куба. По сравнению со структурой, соединенной острием и компланарностью, структура перовскита более устойчива и способствует диффузии и миграции дефектов.

В структуре перовскита, используемой для высокоэффективных солнечных элементов, сайт A обычно представляет собой органический катион, такой как HC (NH2) 2+ (сокращенно FA +) или CH3NH3 + (сокращенно MA +), и его основная функция заключается в поддержании баланса заряда. в кристаллической решетке, но размер иона A может изменить размер запрещенной зоны. Когда радиус иона A увеличивается, решетка расширяется, что приводит к соответственно меньшему энергетическому зазору и красному смещению края поглощения, тем самым получая больший ток короткого замыкания и высокую эффективность преобразования батареи около 16%. Ион металла B обычно представляет собой ион PB, PB имеет хорошую стабильность, но его часто заменяют на GE, SN, Ti из-за токсичности. Если взять в качестве примера SN, валентный угол SN-X-SN больше, чем PB, а запрещенная зона уже. ASnX3 демонстрирует высокое напряжение холостого хода и хорошие оптоэлектронные характеристики с небольшими потерями напряжения. Однако в том же семействе элементов, чем меньше атомный номер, тем хуже стабильность элемента. Чтобы решить проблему стабильности, PB и SN комбинируются в определенном соотношении для уменьшения нестабильности, вызванной SN, и в то же время достигается высокая эффективность преобразования. Галогенная группа X обычно представляет собой йод, бром и хлор. Среди них перовскитовый солнечный элемент с йодной группой уступает по механическим свойствам (например, эластичности, прочности и т. Д.) Батарее с бромной группой. Спектр электронного поглощения в свою очередь расширяется от Cl до I, и красный сдвиг запрещенной зоны также последовательно увеличивается. Это связано с тем, что с увеличением атомной массы электроотрицательность элемента становится слабее, а ковалентное взаимодействие с ионом металла B становится сильнее. Неорганические галогениды типа ABX3 имеют разную структуру при разных температурах.

Основная структура перовскитного солнечного элемента обычно представляет собой материал подложки / проводящее стекло (стекло подложки, покрытое оксидным слоем) / слой переноса электронов (диоксид титана) / слой поглотителя перовскита (слой переноса дырок) / металлический катод.

(а) солнечные элементы из мезоструктурированного перовскита;

(б) Планарная структура гетероперехода перовскитного солнечного элемента.

После того, как падающий свет проходит через стекло, фотоны с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны, поглощаются для генерации экситонов, а затем экситоны разделяются в поглощающем слое перовскита, становятся дырками и электронами и соответственно инжектируются в транспортный материал. . Он поступает из материала перовскита в материал для переноса дырок, а инжекция электронов происходит из материала перовскита в материал для переноса электронов (обычно пленка диоксида титана). Исходя из этого, перовскиты имеют два типа структур: мезоскопические структуры и структуры планарных гетеропереходов. Мезоскопические структуры Перовскитные солнечные элементы основаны на сенсибилизированных красителем солнечных элементах (DSSC) и аналогичны по структуре DSSC: кальций Нанокристаллы структуры руды титана прикреплены к материалу каркаса мезопористого оксида (такого как TiO2), а материал для переноса дырок - осаждаются на поверхности, и все три вместе служат в качестве слоя переноса дырок. В этой структуре мезопористый оксид (TiO2) одновременно является каркасным материалом и может переносить электроны. Планарная структура гетероперехода разделяет материал структуры перовскита и помещает его между материалом для переноса дырок и материалом для переноса электронов, экситоны разделены в сэндвиче из перовскитного материала, который переносит как дырки, так и электроны.

Кристаллографическая ориентация структурного материала перовскита также влияет на эффективность ячейки. Докампо и др. обнаружили, что при увеличении температуры пропитывания раствора или после последующей термообработки CH3NH3I и PbCl2 ток короткого замыкания батареи больше, а эффективность преобразования выше. Изменение в этом процессе состоит в том, что длинная ось перовскитовой структуры стремится быть параллельной основанию, образуя анизотропию. Чем более очевидна эта анизотропия, тем лучше будет производительность батареи.

Направление развития перовскитных солнечных элементов

Повышение эффективности преобразования батареи

Эффективность преобразования - самый важный показатель производительности солнечных элементов. Наивысшая сертифицированная эффективность преобразования батарей достигла 20,1% (рис. 3). Узкое место, ограничивающее эффективность преобразования солнечных элементов, заключается в том, что большая часть энергии падающего света отражается или проходит, и только свет, близкий к энергетической щели материала светопоглощающего слоя, может поглощаться и преобразовываться в электрическую энергию. . Следовательно, ключом к повышению эффективности преобразования батареи является улучшение структуры энергетического диапазона батареи. В дополнение к вышеупомянутому регулированию энергетической щели путем регулирования ионных групп в перовскитном материале, изготовление многопереходных солнечных элементов с различными энергетическими щелями также является одним из важных направлений исследований в этой области.

Кроме того, уменьшение рекомбинации электронов и дырок в процессе передачи для увеличения скорости передачи также является важным способом повышения эффективности преобразования.

(1) Регулировка интерфейса. Из механизма работы перовскитной батареи видно, что повышение эффективности преобразования перовскитного солнечного элемента зависит не только от способности поглощения света, но и от скорости передачи носителя в структуре перовскита.

(2) Улучшение процесса подготовки перовскитовой батареи. Как новый тип тонкопленочных солнечных элементов, перовскитные солнечные элементы аналогичны другим тонкопленочным элементам, таким как нанесение покрытия методом центрифугирования (нанесение покрытия методом центрифугирования), вакуумное испарение (метод газовой фазы) и т. Д. Независимо от метода подготовки. высокочистая, малодефектная, плотная перовскитовая пленка и пленка с транспортным слоем. Его суть заключается в улучшении электрического контакта между различными слоями, уменьшении плотности дефектов, уменьшении потерь несущей в процессе передачи, чтобы достичь высокой эффективности преобразования батареи.

(3) Попытки использования новых материалов и новых конструкций батарей. В настоящее время наиболее часто используемым материалом для перовскитных солнечных элементов является CH3NH3PbI3 в качестве светопоглощающего слоя, TiO2 в качестве слоя переноса электронов и спиро-OmetaD в качестве слоя переноса твердых дырок, а начальная эффективность преобразования достигает 8,3%. Чтобы еще больше повысить эффективность преобразования солнечных элементов и подчеркнуть преимущества перовскитных материалов, люди начали использовать новые материалы в различных структурах солнечных элементов или разрабатывать новые конструкции аккумуляторов и надеяться достичь прорывов.

В целом, будь то использование новых материалов или улучшение структуры новых устройств, хотя различные методы позволили достичь большей эффективности преобразования батареи, они все еще немного ниже, чем традиционная структура перовскитных солнечных элементов, но с точки зрения стоимость, стабильность и экологичность - все они имеют высокую исследовательскую ценность.

Повышение стабильности солнечных элементов

Металлоорганические галогенидные перовскитные материалы обладают плохой стабильностью во влажных и световых условиях, склонны к разложению и вызывают снижение или даже выход из строя батареи. Поэтому, помимо постоянного повышения эффективности преобразования, в настоящее время проводится множество исследований, направленных на повышение стабильности солнечных элементов. Стабильность перовскитных батарей ограничена различными факторами окружающей среды, такими как температура и влажность. Есть два способа улучшить стабильность перовскитных батарей: один - повысить стабильность самого перовскитного материала, а другой - найти подходящий материал транспортного слоя, чтобы изолировать батарею от окружающей среды и препятствовать разложению перовскитного материала. .

В первом методе Smith et al. использовали двумерный гибридный перовскитовый материал (ПЭА) 2 (МА) 2 [Pb3I10] (ПЭА = C6H5 (CH2) 2NH3 +, MA = CH3NH3 +) в качестве абсорбирующего материала (такая структура, как показано на рисунке 4, структура может быть формируется методом центробежного осаждения без необходимости высокотемпературного отжига. По сравнению с обычным трехмерным перовскитным материалом (MA) [PbI3], двумерная перовскитная батарея была помещена во влажную среду при комнатной температуре на 46 дней, не вызывая значительное падение производительности и хорошая стабильность. Однако выбор атомов / атомов, которые могут заменить различные компоненты в ABX3, ограничен, а соответствующих отчетов об исследованиях относительно мало. В последние годы больше исследований было сосредоточено на последних, ищущих для подходящих материалов транспортного слоя.

(a) схематическая диаграмма двух кристаллических структур, где A и B представляют собой структуры из трехмерного материала (MA) [PbI3] и двумерного материала (PEA) 2 (MA) 2 [Pb3I10], соответственно;

(b) Спектры XRD различных пленок во влажной среде через одно и то же время, в которых 1, 2a, 2b представляют собой соответственно двухмерную материальную пленку, трехмерную материальную пленку с плохим качеством центрифугирования и трехмерный материал. пленка с хорошим качеством нанесения покрытия центрифугированием. Среди этих двух методов исследователи ищут лучшие материалы для переноса дырок, чтобы улучшить стабильность перовскитных солнечных элементов. Хорошие материалы для переноса дырок позволяют экситонам иметь более длительный срок службы и квантовый выход, увеличивая срок службы батареи. Материал для переноса дырок, обычно используемый в перовскитных батареях, - это спиро-Ометад, легированный р-типом. Есть два способа улучшить стабильность материала путем изменения материала для переноса отверстий: первый - заменить исходный материал отверстия другими материалами; Другой - добавить добавку к материалу отверстия или заменить исходную добавку p-типа.

(а) Сравнение стабильности двух батарей с использованием производного тетратиафульвалена (TTF-1) и спиро-OmetaD в качестве материала для переноса дырок;

(b) добавление батареи PDPPDBTE для обеспечения устойчивости батареи исходных материалов;

c) стабильность батареи после использования различных присадок;

(d) Изменения эффективности батареи различных XTHSI через 3 месяца (где X представляет металлические элементы (такие как Li, Co, Ir), а THIS представляет диацилтрифторметан).

Во втором типе метода введение добавки p-типа может увеличить концентрацию носителей, тем самым уменьшая последовательное сопротивление и импеданс переноса заряда на границе раздела. В настоящее время предпочтительной присадкой является LiTFSI (бис (ацилтрифторметан)) имид лития). Однако в кислородсодержащей среде кислород потребляет ионы лития на слое переноса дырок и на поверхности TiO2, что снижает фототок, увеличивает сопротивление и снижает стабильность батареи. Следовательно, поиск лучших добавок может не только повысить эффективность. Это может еще больше улучшить стабильность. Это одна из горячих точек текущих исследований по замене металлического лития другими элементами.

Обеспечение экологичности перовскитных солнечных элементов

Из-за того, что свинецсодержащие материалы вредны для окружающей среды, исследователи стремятся достичь бессвинцовых, но с соответствующим снижением эффективности преобразования батарей. Самый простой способ - использовать те же элементы (например, SN) вместо PB. В материале MAXI3 запрещенная зона CH3NH3SnI3 составляет всего 1,3 эВ, что намного ниже 1,55 эВ для CH3NH3PbI3, что может вызвать красное смещение спектра поглощения. Использование CsSnI3 в качестве светопоглощающего материала и добавление SnF2 в качестве добавки также снижает плотность дефектов, увеличивает концентрацию носителей и, таким образом, повышает эффективность ячейки. Спектры поглощения этих двух альтернативных поглощающих материалов претерпевают значительное красное смещение и поглощают более широкий диапазон падающего света.

С точки зрения решения проблемы загрязнения окружающей среды без ущерба для эффективности преобразования батарей, Chen et al. предложил другую идею по переработке автомобильного аккумулятора в качестве источника свинца. Поскольку источник свинца в автомобильной батарее имеет те же свойства материала (например, кристаллическую структуру, морфологию, оптическую плотность и фотоэлектрические свойства) и фотоэлектрические свойства, он не только обеспечивает источник свинца, необходимый для приготовления перовскитного материала, но и решает включение отходов. Со свинцовым аккумулятором нельзя обращаться должным образом, поэтому он имеет определенную практическую ценность.

Заключение

У перовскитных солнечных элементов также есть некоторые проблемы, которые необходимо решить. Прежде всего, люди в основном сосредотачиваются на улучшении материалов и методов подготовки с разных сторон, чтобы повысить эффективность преобразования батарей. Однако они не создали полной теоретической модели, объясняющей причины повышения эффективности преобразования батареи. Трудно получить точную и надежную теорию эффективности преобразования. Во-вторых, как сбалансировать стабильность и эффективность преобразования в настоящее время является сложной задачей. Солнечные элементы из перовскита очень чувствительны к водяному пару и кислороду. Хотя были произведены аккумуляторы со стабильностью до 4 месяцев, КПД составляет всего 12%. По сравнению с традиционными кристаллическими кремниевыми ячейками (срок службы до 25 лет) разрыв еще больше. В-третьих, как реализовать непрерывную подготовку перовскитных солнечных элементов на большой площади, также является важным вопросом. Размеры устройств, изготовленных в лаборатории, составляют всего несколько сантиметров, а до промышленных нужд еще далеко. Наконец, серьезной проблемой является то, как избежать использования тяжелых металлов, вредных для окружающей среды, таких как свинец, с учетом высокой эффективности преобразования. В настоящее время замена свинца другими элементами обычно требует более разумного способа решения экологических проблем, вызванных свинцом, чтобы перовскитные солнечные элементы можно было переработать и регенерировать, что не менее важно для практической индустриализации. За счет улучшения межфазных свойств между слоем перовскита и другими проводящими слоями и поиска более эффективных материалов для переноса электронов / дырок эффективность преобразования батареи все еще имеет очень большие возможности для улучшения, и стабильность солнечного элемента может быть улучшена. Реализация бессвинцовых перовскитных материалов стала одним из ключевых факторов широкого признания перовскитных солнечных элементов населением.

Страница содержит содержимое машинного перевода.