Heimild: ossila.com
Hraði umbætur perovskite sól frumur hefur gert þá vaxandi stjörnu í photovoltaics heiminum og mikil áhugi fyrir fræðasamfélagið. Þar sem rekstraraðferðir þeirra eru enn tiltölulega nýjar, er frábært tækifæri til frekari rannsókna á grunn eðlisfræði og efnafræði í kringum perovskites. Enn fremur, eins og sýnt hefur verið á undanförnum árum, hefur verkfræðilegur úrbætur perovskite samsetningar og tilbúnar venjur leitt til verulegrar aukningar á orkunýtingu skilvirkni, þar sem nýleg tæki ná yfir 23% frá og með júní 2018.
Hvað eru Perovskites?
Af hverju eru Perovskite sól frumur svo mikilvæg?
Hvaða mál gera Perovskites Face?
Framleiðsla og mæling á Perovskite sólfrumum
Framtíð Perovskites
Perovskite Fabrication Video Guide
Ossila vörur fyrir Perovskite sól frumur
Tilvísanir
Frekari lestur
Hvað eru Perovskites?
Hugtökin "perovskite" og "perovskite structure" eru oft notuð til skiptis. Tæknilega er perovskite tegund jarðefna sem fyrst var að finna í Úralfjöllum og nefnd eftir Lev Perovski (sem var stofnandi rússneska landafélagsins). A perovskite uppbygging er hvaða efnasamband sem hefur sömu byggingu og perovskite steinefni.
True perovskite (steinefnið) samanstendur af kalsíum, títan og súrefni í formi CaTiO 3 . Á meðan, perovskite uppbygging er eitthvað sem hefur almenna formið ABX 3 og sama kristallafræðilega uppbyggingu og perovskite (steinefnið). Hins vegar, þar sem flestir í sólfrumnaheiminum eru ekki þátt í steinefnum og jarðfræði, eru perovskite og perovskite uppbygging notuð til skiptis.
Sýnt er fram á perovskite grindurnar fyrir neðan. Eins og með margar mannvirki í kristöllun getur það verið fulltrúi á marga vegu. Einfaldasta leiðin til að hugsa um perovskite er eins og stórt kjarnorkuvopn eða sameinda katjón (jákvætt hlaðin) af gerð A í miðju teningur. Hornið á teningnum er síðan upptekið af atómum B (einnig jákvæð hleðsluskammt) og andlitið á teningnum er upptekið af minni atóm X með neikvæðri hleðslu (anjón).
Almennt perovskite kristal uppbygging á forminu ABX3. Athugið að tvær mannvirki eru jafngildir - vinstri uppbyggingin er dregin þannig að atóm B er í stöðu <0,0,0> en hægri uppbyggingin er dregin þannig að atóm (eða sameind) A er á < 0,0,0=""> staða. Athugaðu einnig að línurnar eru leiðarvísir til að tákna kristalstefnu frekar en tengslamynstur.
Eftir því hvaða atóm / sameindir eru notaðar í uppbyggingu geta perovskites haft glæsilega fjölbreytta áhugaverða eiginleika, þar með talin frábær leiðni, risastór magnetoresistance, snúningsháð flutningur (spintronics) og hvatavirkni. Perovskites tákna því spennandi leiksvæði fyrir eðlisfræðinga, efnafræðinga og efnisfræðinga.
Perovskites voru fyrst notuð með góðum árangri í sólfrumur í föstum ríkjum árið 2012, og síðan hafa flestir frumur notað eftirfarandi samsetningu efna í venjulegu perovskite formi ABX 3 :
A = Lífræn katjón - metýlammóníum (CH3NH3 + ) eða formamídíum (NH2CHNH2 + )
B = Stór ólífræn katjón - yfirleitt leiða (II) (Pb 2+ )
X 3 = A örlítið minni halógenanjón - venjulega klóríð (Cl-) eða joðíð (I - )
Þar sem þetta er tiltölulega almennt uppbygging, geta þessi perovskite-undirstaða tæki einnig verið gefin upp ýmsar mismunandi nöfn, sem geta annaðhvort vísað til almennra bekkja efna eða tiltekinnar samsetningar. Sem dæmi um þetta höfum við búið til töfluna hér fyrir neðan til að varpa ljósi á hversu mörg nöfn geta verið mynduð úr einni undirstöðu uppbyggingu.
A | B | X 3 |
Organo | Metal | Trihalíð (eða trihalíð) |
Metýlammóníum | Lead | Joðíð (eða tríódíð) |
Plumbate | Klóríð (eða tríklóríð) |
The perovskite 'nafn-tína' borð : Veldu eitt atriði úr dálkum A, B eða X 3 til að koma upp með gilt nafn. Dæmi eru: Lífræn-blý-klóríð, Metýlammonium-málm-tríhalíð, lífræn-plumbat-joðíð o.fl.
Taflan sýnir hversu mikil breyturinn er fyrir hugsanlega efni / uppbyggingu samsetningar, þar sem það eru margar aðrar atóm / sameindir sem gætu skipt út fyrir hverja dálki. Val á samsetningum efnis er mikilvægt til að ákvarða bæði sjón- og rafeindabúnaðina (td bandgap og samsvarandi frásogsspektra, hreyfanleika, dreifingarlengd osfrv.). Einföld hagræðing með því að sameina skurðaðgerðir í rannsóknarstofu er líklegt að það sé mjög óhagkvæmt að finna góða perovskite mannvirki.
Meirihluti duglegra perovskites byggist á hópi IV (sérstaklega, blýi) málmhalíðum og að flytja út fyrir þetta hefur reynst krefjandi. Það er líklega dýpri þekkingu en nú er þörf er krafist til að kanna nákvæmlega fjölda hugsanlegra perovskite mannvirkja. Sólarfrumur, sem byggjast á perovskite, eru sérstaklega góð vegna fjölmargra þátta, þar með talið sterk frásog í sýnilegri stjórn, lengdargluggi með lengd hleðslugeta, stillanlegt bilspjald og auðveld framleiðsla (vegna mikillar gallaþols og hæfni til að vinna við lágt hitastig).
Af hverju eru Perovskite sól frumur svo mikilvæg?
Það eru tvær lykilgrafanir sem sýna hvers vegna perovskite sól frumur hafa dregist svo áberandi athygli á stuttum tíma síðan 2012. Fyrst af þessum myndum (sem notar gögn tekin úr NREL sólarorku skilvirkni töflunni) 1 sýnir áhrif virkni orku perovskite undirstaða tæki á undanförnum árum, í samanburði við vaxandi photovoltaic rannsóknir tækni, og einnig hefðbundin þunnt kvikmynd photovoltaics.
Myndin sýnir meteorísk hækkun miðað við flest önnur tækni á tiltölulega stuttan tíma. Innan 4 ára frá byltingunni höfðu perovskite sólfrumur jafnað virkni Cadmium Telluride (CdTe), sem hefur verið í um 40 ár. Ennfremur, frá og með júní 2018, hafa þau nú farið yfir allar aðrar þunnar kvikmyndir, ekki einangrunar tækni - þar á meðal CdTe og Copper Indium Gallium Selenide (CIGS). Þrátt fyrir að hægt sé að halda því fram að fleiri auðlindir og betri innviði fyrir sólfrumurannsóknir hafi verið tiltækar undanfarin ár, er stórkostleg hækkun perovskite sólarorku skilvirkni enn ótrúlega mikilvæg og áhrifamikill.
Perovskite sól frumur hafa aukist í orkunotkun skilvirkni á stórkostlegu hlutfalli samanborið við aðrar tegundir af photovoltaics. Þrátt fyrir að þessi tala einkennist einungis af Lab-undirstaða "hetjufrumur", segir það mikið loforð.
Annað lykilatriðið hér fyrir neðan er spenna spenna samanborið við bilið á bilinu fyrir margs konar tækni sem keppir gegn perovskites. Þetta línurit sýnir hversu mikið af orku ljóssins er glatað í umbreytingarferlinu frá ljósi til rafmagns. Fyrir stöðluðu sólfrumur sem byggjast á frumefni sem byggjast á frumefni, getur þetta tap verið eins hátt og 50% af frásogast orku, en perovskite sólfrumur fara yfirleitt yfir 70% ljósnýtingu og geta aukist enn frekar. 4
Þetta er að nálgast gildi nýjustu tækni (eins og GaAs), en á verulega lægri kostnaði. Kristallað sólfrumur, sennilega næst samanburður við perovskites hvað varðar skilvirkni og kostnað, eru nú þegar allt að 1000 sinnum ódýrari en GaAs. 5 Perovskites hafa tilhneigingu til að verða enn ódýrari en þetta.
Hámarksfjölda orkunotkun í photon (skilgreind sem opið hringrás spennu Voc skipt með sjón bandgap Eg) fyrir sameiginlegt einföldu sól frumur efni kerfi. Reiknuð úr nýjustu listafrumum sem lýst er í NREL skilvirkni töflum.
Hvaða mál gera Perovskites Face?
Stærsta málið á sviði perovskites er nú langtíma óstöðugleiki. Þetta hefur verið sýnt af völdum niðurbrotsleiða sem fela í sér utanaðkomandi þætti, svo sem vatn, ljós og súrefni, og einnig vegna innri óstöðugleika, svo sem niðurbrot við upphitun vegna eiginleika efnisins. Til að fá yfirlit yfir orsakir perovskite niðurbrots, sjá leiðbeiningar Ossila.
Nokkrar aðferðir hafa verið lagðar til að bæta stöðugleika, með góðum árangri með því að breyta hlutdeildarvali. Notkun blandaða katjónakerfa (til dæmis með því að meðtaka ólífræn katjón eins og rúbidíum eða sesíum) hefur reynst bæta bæði stöðugleika og skilvirkni. Fyrstu perovskite frumurnar sem fara yfir 20% skilvirkni notuðu blönduð lífrænt katjónakerfi, og mörg af hámarks-skilvirkni kerfi sem birt eru nýlega nota ólífræn hluti. Hreyfing á vatnsfælnum, UV-stöðugum tengiefnum hefur einnig batnað stöðugleika - til dæmis með því að skipta um TiO 2 , sem er næm fyrir UV-niðurbroti, með SnO 2 Stöðugleiki hefur einnig verið bætt við með því að nota yfirborðsvirkjun og með því að sameina 2D-laga (Ruddlesden-Popper) perovskites (sem sýna betur innri stöðugleika en lélegrar frammistöðu) með hefðbundnum 3D perovskites. Þessi viðleitni (ásamt þættir eins og betri innsláttur) hafa verulega bætt stöðugleika perovskites frá upphafi kynningu þeirra og líftíma er vel á leiðinni til að uppfylla iðnaðarstaðla - með nýlegri vinnu sem sýnir frumur sem geta staðist 1000 klukkustunda gufuhitapróf. Til að fá ítarlegri umfjöllun um aðferðir til að bæta perovskite stöðugleika , sjá leiðbeiningar Ossila.
Hefðbundin 3D perovskite (vinstri) samanborið við almenna 2D perovskite uppbyggingu (hægri).
Annað mál sem enn er fjallað um er að nota blý í perovskite efnasamböndum. Þó að það sé notað í miklu minni magni en þær sem eru til staðar í rafhlöðum á blýi eða kadmíum, er til staðar blý í vörum til notkunar í atvinnuskyni erfið. Áhyggjur eru ennþá um útsetningu eitruðra efnasambanda (með útskolun perovskítsins í umhverfið) og sumar rannsóknir hafa bent til þess að stórfelld innleiðing perovskites myndi krefjast fullkominnar innilokunar niðurbrotsafurða. Hins vegar hafa aðrar lífsferilsmatanir komist að því að eituráhrif afleiða leiða til að vera hverfandi í samanburði við önnur efni í klefanum (svo sem bakskautinu).
Það er einnig möguleiki á að leiða val til að nota í perovskite sól frumur (eins og tin-undirstaða perovskites), en kraftur viðskipti skilvirkni slíkra tækja er enn verulega á bak við leiða-undirstaða tæki með skrá fyrir tin-undirstaða perovskite stendur nú fyrir 9,0%. Sumar rannsóknir hafa einnig leitt í ljós að tin getur reyndar haft hærra umhverfisáhrif en blý, og önnur minna eitruð val eru nauðsynleg.
Annað stórt mál í skilmálar af frammistöðu er núverandi spenna hysteresis almennt séð í tækjum. Þættirnar sem hafa áhrif á hysteresis eru enn í umræðu en það er oftast rekjað til hreyfanlegs jónamengunar ásamt mikilli endurkomu. Aðferðir til að draga úr hysteresis innihalda mismunandi frumu arkitektúr, yfirborð passivation og auka leiddi joð innihald, eins og heilbrigður eins og almennar aðferðir til að draga úr recombination.
Samræmi við núverandi spenna hysteresis fundur oft í perovskite sól frumur.
Til að virkja lítið kostnað á hverja watt, þurfa perovskite sól frumur að hafa náð miklum heralded trio af mikilli skilvirkni, langa líftíma og lágt framleiðslukostnað. Þetta hefur ekki enn verið náð fyrir aðra þunnt kvikmyndatækni, en perovskite-búnaður sýnir nú mikla möguleika til að ná þessu.
Framleiðsla og mæling á Perovskite sólfrumum
Þrátt fyrir að perovskites komi frá ólíkum heimi kristalla, þá geta þau verið tekin mjög auðveldlega inn í venjulegan OPV (eða annan þunnt kvikmynd) arkitektúr. Fyrstu perovskite sól frumurnar voru byggðar á dye-næmi sól frumur (DSSCs) í solid-ástandi, og notuðu svo mesópírótískar TiO 2 vinnupalla. Margir frumur hafa síðan fylgst með þessu sniðmáti eða notað Al 2 O 3 vinnupalla í byggingu "mesó-yfirbyggðrar", en háhitaþrepin sem þarf til framleiðslu og UV óstöðugleika TiO 2 leiddu til kynningar á "planar" arkitektúr svipað til annarra þunna kvikmynda. Eftir nokkurra ára dögun á bak við blöðruhálskirtla hvað varðar skilvirkni eru planar perovskites nú næstum eins duglegur.
Generic mannvirki af hefðbundnum / inverted planar og mesoporous (venjulegur) perovskite frumur.
Perovskite kvikmyndin sjálft er venjulega unnin með annaðhvort tómarúm eða lausnaraðferðir. Kvikmyndagæði er mjög mikilvægt. Upphaflega gaf tómarúmskemdu kvikmyndir bestu tækin, en þetta ferli krefst samdæmis á lífrænum (metýlammóníum) efnisþáttinum á sama tíma og ólífræn (blý halíð) þættirnar, þar sem þörf er á sérstökum uppgufunarkambum sem ekki eru tiltækir mörgum vísindamönnum . Þar af leiðandi hefur verið verulegt viðleitni til að bæta úrvinnslubúnað, þar sem þær eru einfaldari og leyfa lághitavinnslu og þau eru nú jafnt lofttegundafleidd frumur hvað varðar skilvirkni.
Venjulega er virka lagið af perovskite sólfrumum afhent með annaðhvort eitt eða tveggja skrefa ferli. Í einþrepa ferlinu er forverunarlausn (eins og blanda af CH3NH3I og PbI2) húðuð sem síðan umbreytist í perovskite-kvikmyndina við upphitun. Variation á þessu er aðferðin sem inniheldur "mótefni", þar sem forvera lausnin er húðuð í skautuðum leysi og síðan slökkt á meðan á snúningshúðunarferlinu stendur með ópólískum leysi. Nákvæmar tímasetningar á slökkvibúnaðinum og rúmmálum slökkviefnanna er nauðsynlegt til að ná sem bestum árangri. Til að aðstoða við þetta byggðum við Ossila sprautuþrýstinginn , sem hefur gert okkur kleift að nota þetta slökunarferli til að ýta undir virkni í orkugjafa um 16%.
Í tveggja þrepa ferlinu eru málmhalíðið (eins og PbI 2 ) og lífrænar hluti (eins og CH3NH3I) snúningshúðuð í aðskildum eftirfylgjandi kvikmyndum. Að öðrum kosti er hægt að hylja málmhalíðmyndir og hylja í hólf fyllt með gufu lífrænna efnisþáttanna, þekkt sem "lofttæmistuðull lausn" (VASP).
Samræmi við leysiefni slökkvunaraðferðin sem notuð er oft til að húða perovskites í einþrepum ferli úr forvera lausn.
Flestir fullkomnustu perovskites eru byggðar á gagnsæri oxíð / ETL / Perovskite / HTL / málmbyggingu, þar sem ETL og HTL vísa til rafeinda-flutninga og holuflutningslaga. Dæmigert holurflutningslög eru Spiro-OMeTAD eða PEDOT: PSS , og dæmigerð rafeindatransportlög eru TiO 2 eða SnO 2 . Skilningur og hagræðing orkustigs og samskipta mismunandi efna á þessum tengi býður upp á mjög spennandi svið rannsókna sem enn er að ræða.
Helstu atriði fyrir hagnýt tæki tilbúningur perovskite sól frumur eru kvikmynd gæði og þykkt. Ljós uppskeran (virk) perovskite lagið þarf að vera nokkur hundruð nanómetrar þykkur - nokkrum sinnum meira en fyrir venjulegan lífræn ljósmyndir , og það getur verið erfitt að búa til slíka þykkt lag með mikilli einsleitni. Nema fráhvarfsskilyrði og hreinsunarþéttni eru bjartsýni, myndast gróft yfirborð með ófullnægjandi umfjöllun. Jafnvel með góðum hagræðingu mun enn vera verulegur yfirborðsleysi sem eftir er. Því er einnig þörf á þykkari tengislögum en venjulega er notað. Umbætur á kvikmyndagæði hafa náðst með ýmsum aðferðum. Ein slík aðferð er að bæta við litlu magni af sýrum, svo sem vatnsýru eða vetnisbrómsýru, sem áður hefur verið rætt um í stað eftir hreinleika MAI móti blýklóríðleysni , eða umfram forðaplástur í blóði.
Með mikilli rannsóknum hefur verið náð skilvirkni yfir 22% með því að nota snúningshúð , og einnig hefur verið náð miklum árangri með því að nota aðrar lausnarvinnsluaðferðir (eins og rifa-deyjahúð ). Þetta bendir til þess að stórfelld lausn vinnslu perovskites er mjög gerlegt.
Framtíð Perovskites
Framundan í rannsóknum á perovskites er líklegt að einbeita sér að því að draga úr endurtekningu með aðferðum eins og passivation og minnkun galla, auk þess að auka skilvirkni með því að taka upp 2D perovskites og betri bjartsýni tengi. Upphleðsla lög eru líkleg til að flytja frá lífrænum efnum til ólífrænna, til að bæta bæði skilvirkni og stöðugleika. Aukin stöðugleiki og lækkun á umhverfisáhrifum af blýi eru líkleg til að bæði verði áfram að vera mikilvægir áhugaverðir staðir.
Þó að markaðssetningu sjálfstæðra perovskite sólfrumna stendur frammi fyrir hindrunum hvað varðar tilbúningur og stöðugleika, hefur notkun þeirra í C-Si / Perovskite-frumum í Tandem hraðast (með skilvirkni yfir 25% náð) og líklegt er að perovskites sjái fyrst PV markaðinn sem hluti af þessari uppbyggingu. Beyond sól er enn mikil möguleiki á notkun perovskites í öðrum forritum, svo sem ljósdíóða díóða og viðnámsmiklar minningar.
Perovskite Fabrication Video Guide
Fyrir þá sem bara hefja perovskite rannsóknir sína, höfum við búið til myndbandshandbók sem sýnir allt ferlið við að búa til og mæla perovskite photovoltaics. Í eigin rannsóknarstofum höfum við náð hagkvæmni umfram 11% með þessari tilteknu framleiðsluferli. Myndbandið hér að neðan inniheldur eldri, hætt líkan af Ossila Spin Coater - til að sjá núverandi gerð, geturðu heimsótt vörusíðuna hér .
Ossila vörur fyrir Perovskite sól frumur
Verðlaunaða sólarorku frumgerðarspils Ossila skilar framúrskarandi vísindalegri notkun og áhrif á sólkerfisrannsóknir. Það er samhengi safn af hvarfefni, efni og próf búnað sem hluti af hágæða stöðluðu photovoltaic viðmiðunar arkitektúr. Það gerir vísindamenn kleift að framleiða hágæða, fullkomlega hagnýtur sólfrumur sem hægt er að nota sem áreiðanlegt grunnlínu.
Eins og vísindamenn og vísindamenn sjálfir skiljum við hversu tímafrekt það er að fá sérþekkingu yfir öll þau efni, ferli og tækni sem þarf til að framleiða hágæða tæki - og hvernig þrátt fyrir bestu viðleitni getur það stundum leitt til ósamræmis og ekki -framleiðanlegar niðurstöður.
Við þróað þessa vettvang með það að markmiði að gera þér kleift að einblína á rannsóknirnar þínar (í stað þess að hanna / uppspretta allar eigin hluti) og endurtaka árangur grunn. Mikil ávinningur af þessum vettvangi er að veita fyrirframmynstraðan ITO hvarfefni og vinnslu búnað til mikillar afköstar - sem leiðir til verulegrar aukningar á framleiðslugetu fyrir sólkerfabúnað - þannig að hjálpa þér að safna fleiri gögnum, miklu hraðar. Sem slík er hægt að prófa fleiri tegundir nýrra efna eða byggingarafbrigða og hægt er að safna fleiri tölfræðilegum gögnum - tryggja samræmi og nákvæmni.
Á flestum grunnstigi eru flestar perovskite-undirstaða sólfrumur byggðar á gagnsæri leiðandi oxíðhúðuðu gleri hvarfefni með uppgufunarmetu bakskauti og toppi kúptun. Sem slík er nú þegar verið að nota núverandi undirlagsvirkjun og perovskite efni í hár-flutningur lausn-unnar perovskite tæki. Standard epoxýkerfi okkar er einnig fullkomlega til þess fallið að laga gler eða önnur hindrunarlög - eins og notað er í Nature Nature Paper 2014.
Ossila Spin Coater er reglulega notað til að afhenda tengi okkar og virka lag með mikilli nákvæmni og einföldum aðgerðum.
Mjög gagnlegur félagi við Spin Coater (mynd hér að ofan) er Ossila Sprautubúnaðurinn . Það er hægt að nota til sjálfvirkrar skammta og slökkva á perovskite lagunum til að fá hágæða kvikmyndir. Fræðilegir samstarfsmenn okkar hafa einnig gert nokkrar spennandi framfarir á lausnarvinnuðum perovskite sólfrumum með úðahúð á stöðluðum hvarfefnum okkar. Ennfremur eru perovskite sólfrumur einkennandi með því að nota Ossila Sól Cell IV prófunarkerfið , sem sjálfkrafa reiknar mælieininguna og getur framkvæmt stöðugleika mælingar.
I101 Perovskite blek í boði frá Ossila. Það er pakkað sem 10 einstök hettuglös sem innihalda 0,5 ml af lausn. Þetta er hægt að laga allt að 160 hvarfefni. I101 er einnig hægt að kaupa í lausu (30 ml), með 25% afslátt í samanburði við venjulegar pöntunarstærðir.
Undanfarna mánuði höfum við einnig unnið með fræðilegum samstarfsaðilum okkar til að markaðssetja fleiri perovskite-vörur, þar á meðal: Methylammonium Iodide, Methylammonium Bromide , Formamidinium Iodide og Formamidinium Bromide. Við höfum einnig gefið út fyrsta settið af perovskite blek, fyrsta þeirra er I101 (MAI: PbCl 2 ), er hannað til að vinna í lofti og hefur sýnt fram á virkni í rannsóknarstofum okkar allt að 11,7%. Önnur blek okkar, I201 (MAI: PbCl 2 : PbI 2 ) er hægt að mála með köfnunarefnislofti og við höfum skilið hagkvæmni allt að 11,8%. Bæði blekin eru hönnuð til að hjálpa viðskiptavinum okkar að ná háum skilvirkni ótrúlega fljótt þegar þeir byrja fyrst og fremst með perovskites rannsóknum sínum. Við felum í sér bjartsýni vinnsluferla með bæði blek til að hámarka árangur.