Fonte: ossila.com
Il rapido miglioramento delle celle solari di perovskite li ha resi la stella nascente del mondo del fotovoltaico e di enorme interesse per la comunità accademica. Poiché i loro metodi operativi sono ancora relativamente nuovi, vi sono grandi opportunità per ulteriori ricerche sulla fisica e la chimica di base intorno alle perovskiti. Inoltre, come è stato dimostrato negli ultimi anni, i miglioramenti ingegneristici delle formulazioni di perovskite e delle routine di fabbricazione hanno portato a significativi aumenti dell'efficienza di conversione energetica, con i dispositivi recenti che hanno raggiunto oltre il 23%, a partire da giugno 2018.
Cosa sono i Perovskiti?
Perché le celle solari di Perovskite sono così significative?
Quali problemi affrontano i perovskiti?
Fabbricazione e misurazione di celle solari di Perovskite
Il futuro di Perovskites
Guida video per la produzione di perovskite
Prodotti Ossila per celle solari perovskite
Riferimenti
Ulteriori letture
Cosa sono i Perovskiti?
I termini "perovskite" e "struttura perovskite" sono spesso usati in modo intercambiabile. Tecnicamente, un perovskite è un tipo di minerale che è stato trovato per la prima volta nei Monti Urali e prende il nome da Lev Perovski (che fu il fondatore della Società Geografica Russa). Una struttura di perovskite è un composto che ha la stessa struttura del minerale di perovskite.
La vera perovskite (il minerale) è composta da calcio, titanio e ossigeno nella forma CaTiO 3 . Nel frattempo, una struttura di perovskite è tutto ciò che ha la forma generica ABX 3 e la stessa struttura cristallografica di perovskite (il minerale). Tuttavia, poiché la maggior parte delle persone nel mondo delle celle solari non sono coinvolte con minerali e geologia, la perovskite e la struttura perovskite sono usate in modo intercambiabile.
La disposizione del reticolo perovskite è dimostrata di seguito. Come con molte strutture in cristallografia, può essere rappresentato in più modi. Il modo più semplice di pensare a una perovskite è come un grosso catione atomico o molecolare (caricato positivamente) di tipo A nel centro di un cubo. Gli angoli del cubo sono quindi occupati dagli atomi B (anche i cationi caricati positivamente) e le facce del cubo sono occupate da un atomo X più piccolo con carica negativa (anione).
Una struttura di cristallo perovskite generica della forma ABX3. Si noti che le due strutture sono equivalenti: la struttura della mano sinistra viene disegnata in modo tale che l'atomo B si trovi nella posizione <0,0,0> mentre la struttura della mano destra viene disegnata in modo tale che l'atomo (o molecola) A si trovi al < 0,0,0=""> posizione. Si noti inoltre che le linee rappresentano una guida per rappresentare l'orientamento dei cristalli piuttosto che i modelli di unione.
A seconda di quali atomi / molecole vengono utilizzati nella struttura, le perovskiti possono avere una serie impressionante di proprietà interessanti, tra cui la superconduttività, la magnetoresistenza gigante, il trasporto spin-dipendente (spintronica) e le proprietà catalitiche. Perovskites quindi rappresentano un campo di gioco emozionante per fisici, chimici e scienziati del materiale.
Perovskites sono stati inizialmente utilizzati con successo nelle celle solari a stato solido nel 2012, e da allora la maggior parte delle cellule ha utilizzato la seguente combinazione di materiali nella consueta forma di perovskite ABX 3 :
A = un catione organico - metilammonio (CH 3 NH 3 + ) o formamidinio (NH 2 CHNH 2 + )
B = Un grosso catione inorganico - di solito piombo (II) (Pb 2+ )
X 3 = Un anione alogeno leggermente più piccolo - di solito cloruro (Cl - ) o ioduro (I - )
Poiché questa è una struttura relativamente generale, questi dispositivi basati su perovskite possono anche avere un numero di nomi diversi, che possono fare riferimento a una classe più generale di materiali o una combinazione specifica. Come esempio, abbiamo creato la tabella seguente per evidenziare quanti nomi possono essere formati da una struttura di base.
UN | B | X 3 |
organo | Metallo | Trihalide (o trialogenuro) |
metilammonio | Condurre | Ioduro (o triiodide) |
piombato | Cloruro (o tricloruro) |
La tabella 'name-picking' perovskite : seleziona un elemento qualsiasi dalle colonne A, B o X 3 per trovare un nome valido. Gli esempi includono: cloruro di piombo organico, metilammonio metallo-trialogenuri, organo-plumbato-ioduri ecc.
La tabella dimostra quanto vasto sia lo spazio dei parametri per potenziali combinazioni di materiale / struttura, poiché ci sono molti altri atomi / molecole che potrebbero essere sostituiti per ogni colonna. La scelta delle combinazioni di materiali sarà cruciale per determinare sia le proprietà ottiche che elettroniche (es. Bandgap e spettri di assorbimento commisurati, mobilità, lunghezze di diffusione, ecc.). È probabile che una semplice ottimizzazione della forza bruta mediante screening combinatorio in laboratorio sia molto inefficiente nel trovare buone strutture perovskite.
La maggior parte delle perovskite efficienti sono basate su alogenuri metallici del Gruppo IV (in particolare, piombo), e il superamento di questo si è dimostrato difficile. È probabile che siano necessarie conoscenze più approfondite di quelle attualmente disponibili per esplorare a fondo la gamma di possibili strutture perovskite. Le celle solari basate sulla perovskite a base di piombo sono particolarmente buone a causa di una serie di fattori, tra cui un forte assorbimento nel regime visibile, lunghe lunghezze di diffusione della carica, un gap di banda sintonizzabile e fabbricazione facile (a causa dell'elevata tolleranza dei difetti e capacità di lavorare a basse temperature).
Perché le celle solari di Perovskite sono così significative?
Ci sono due grafici chiave che dimostrano il motivo per cui le celle solari di perovskite hanno attirato un'attenzione così importante in poco tempo dal 2012. Il primo di questi grafici (che utilizza i dati tratti dalla tabella di efficienza delle celle solari NREL) 1 dimostra l'efficienza di conversione della perovskite basati su dispositivi basati negli ultimi anni, rispetto alla tecnologia di ricerca del fotovoltaico emergente, e anche al tradizionale fotovoltaico a film sottile.
Il grafico mostra un aumento meteorico rispetto alla maggior parte delle altre tecnologie in un periodo di tempo relativamente breve. Entro 4 anni dalla loro scoperta, le celle solari di perovskite avevano eguagliato l'efficienza del tellururo di cadmio (CdTe), che è in circolazione da oltre 40 anni. Inoltre, a partire da giugno 2018 hanno ora superato tutte le altre tecnologie a film sottile, senza concentratore, tra cui CdTe e Copper Indium Gallium Selenide (CIGS). Sebbene si possa sostenere che negli ultimi anni sono state disponibili più risorse e un'infrastruttura migliore per la ricerca sulle celle solari, il drammatico aumento dell'efficienza delle celle solari perovskite è ancora incredibilmente significativo e impressionante.
Le celle solari di Perovskite hanno aumentato l'efficienza di conversione della potenza ad un ritmo fenomenale rispetto ad altri tipi di fotovoltaico. Sebbene questa figura rappresenti solo le "cellule degli eroi" basate sul laboratorio, preannuncia una grande promessa.
Il secondo grafico chiave sottostante è la tensione a circuito aperto rispetto alla banda proibita per una gamma di tecnologie che competono con le perovskiti. Questo grafico mostra quanta energia del fotone viene persa nel processo di conversione dalla luce all'elettricità. Per le celle solari a base organica basate sull'eccitonica standard, questa perdita può arrivare fino al 50% dell'energia assorbita, mentre le celle solari perovskite superano regolarmente il 70% di utilizzo di energia fotonica e hanno il potenziale di essere ulteriormente aumentate. 4
Questo si sta avvicinando ai valori delle tecnologie allo stato dell'arte (come GaAs), ma a un costo significativamente inferiore. Le celle solari in silicio cristallino, probabilmente il più vicino comparatore di perovskite in termini di efficienza e costo, sono già fino a 1000 volte più economiche rispetto ai GaAs di ultima generazione. 5 Perovskites hanno il potenziale per diventare ancora più economico di questo.
Il massimo utilizzo di energia del fotone (definito come la tensione del circuito aperto Voc diviso per il blocco ottico della banda Eg) per i comuni sistemi di materiali a celle solari a giunzione singola. Calcolato da celle state-of-the-art dettagliate in tabelle di efficienza NREL.
Quali problemi affrontano i perovskiti?
Il più grande problema nel campo delle perovskiti è attualmente l'instabilità a lungo termine. Ciò è stato dimostrato a causa di percorsi di degrado che coinvolgono fattori esterni come acqua, luce e ossigeno, e anche come risultato dell'instabilità intrinseca, come la degradazione al riscaldamento, a causa delle proprietà del materiale. Per una panoramica delle cause del degrado del perovskite, vedere la guida di Ossila.
Sono state proposte diverse strategie per migliorare la stabilità, con maggior successo modificando la scelta dei componenti. L'uso di sistemi a cationi misti (ad esempio includendo cationi inorganici come il rubidio o il cesio) ha dimostrato di migliorare sia la stabilità che l'efficienza. Le prime cellule di perovskite superiori al 20% di efficienza utilizzavano un sistema di cationi organici misti, e molti dei sistemi più efficienti pubblicati di recente utilizzano componenti inorganici. Il movimento verso strati interfacciali idrofobi e stabili ai raggi UV ha anche migliorato la stabilità - ad esempio sostituendo TiO 2 , che è suscettibile di degradazione UV, con SnO 2 Stabilità è stata migliorata anche attraverso l'uso della passivazione superficiale e combinando perovskite a strati 2D (Ruddlesden-Popper) (che mostrano una migliore stabilità intrinseca, ma prestazioni peggiori) con le perovskiti 3D convenzionali. Questi sforzi (insieme a fattori come un migliore incapsulamento) hanno notevolmente migliorato la stabilità delle perovskiti sin dalla loro introduzione iniziale, e le vite sono sulla buona strada per soddisfare gli standard industriali - con lavori recenti che mostrano cellule in grado di resistere a un test di calore umido di 1000 ore. Per una discussione più approfondita sui metodi per migliorare la stabilità delle perovskiti , vedere la guida di Ossila.
Perovskite 3D convenzionale (a sinistra) rispetto a una generica struttura perovskite 2D (a destra).
Un altro problema ancora da affrontare completamente è l'uso del piombo nei composti di perovskite. Sebbene sia usato in quantità molto minori di quelle attualmente presenti in batterie al piombo o al cadmio, la presenza di piombo nei prodotti per uso commerciale è problematica. Permangono preoccupazioni circa l'esposizione a composti di piombo tossici (attraverso la lisciviazione della perovskite nell'ambiente), e alcuni studi hanno suggerito che l'implementazione su larga scala delle perovskiti richiederebbe il completo contenimento dei prodotti di degradazione. Al contrario, altre valutazioni del ciclo di vita hanno rilevato che l'impatto della tossicità del piombo è trascurabile rispetto ad altri materiali nella cellula (come il catodo).
Esiste anche la possibilità di utilizzare un'alternativa di piombo nelle celle solari di perovskite (come le perovskiti a base di stagno), ma l'efficienza di conversione di tali dispositivi è ancora significativamente dietro ai dispositivi basati su piombo, con il record di perovskite a base di stagno attualmente pari al 9,0%. Alcuni studi hanno inoltre concluso che lo stagno può effettivamente avere una tossicità ambientale più elevata rispetto al piombo, e sono necessarie altre alternative meno tossiche.
Un altro problema importante in termini di prestazioni è l'isteresi corrente-tensione comunemente presente nei dispositivi. I fattori che influenzano l'isteresi sono ancora in discussione, ma sono comunemente attribuiti alla migrazione ionica mobile in combinazione con alti livelli di ricombinazione. I metodi per ridurre l'isteresi includono la variazione dell'architettura cellulare, la passivazione della superficie e l'aumento del contenuto di ioduro di piombo, così come strategie generali per ridurre la ricombinazione.
Un'approssimazione dell'isteresi della corrente-corrente si incontra spesso nelle celle solari di perovskite.
Per abilitare un vero costo per watt veramente basso, le celle solari perovskite devono aver raggiunto il tanto annunciato tris di alta efficienza, lunga vita e bassi costi di produzione. Questo non è stato ancora raggiunto per altre tecnologie a film sottile, ma i dispositivi basati sulla perovskite dimostrano attualmente un enorme potenziale per raggiungere questo obiettivo.
Fabbricazione e misurazione di celle solari di Perovskite
Sebbene i perovskiti vengano da un mondo apparentemente diverso di cristallografia, possono essere incorporati molto facilmente in un'architettura standard OPV (o altro film sottile). Le prime celle solari di perovskite erano basate su celle solari sensibilizzate a colorante allo stato solido (DSSC), e quindi utilizzavano uno scaffold di TiO 2 mesoporoso. Molte cellule da quando hanno seguito questo modello o utilizzato uno scaffold Al 2 O 3 in un'architettura "meso-superstructured", ma i passaggi ad alta temperatura richiesti per la fabbricazione e l'instabilità UV di TiO 2 hanno portato all'introduzione di un'architettura "planare" simile ad altre celle a film sottile. Dopo diversi anni di ritardo rispetto alle cellule mesoporose in termini di efficienza, le perovskiti planari sono ora quasi altrettanto efficienti.
Strutture generiche di cellule perovskite planari e mesoporose (convenzionali) convenzionali / invertite.
Il film di perovskite stesso viene tipicamente trattato con metodi di vuoto o di soluzione. La qualità del film è molto importante. Inizialmente, i film depositati sotto vuoto davano i migliori dispositivi, ma questo processo richiede la co-evaporazione del componente organico (metilammonio) allo stesso tempo dei componenti inorganici (alogenuro di piombo), che richiedono camere di evaporazione specializzate che non sono disponibili per molti ricercatori . Di conseguenza, ci sono stati sforzi significativi per migliorare i dispositivi processati in soluzione, in quanto questi sono più semplici e consentono l'elaborazione a bassa temperatura, e ora sono uguali celle vuote depositate in termini di efficienza.
Tipicamente, lo strato attivo di una cella solare di perovskite viene depositato tramite un processo a una o due fasi. Nel processo a una fase, una soluzione precursore (come una miscela di CH 3 NH 3 I e PbI 2 ) è rivestita che poi si converte nel film di perovskite al riscaldamento. Una variazione su questo è il metodo "antisolvente", in cui la soluzione precursore è rivestita in un solvente polare, e quindi estinta durante il processo di rivestimento di spin con un solvente non polare. Per ottenere prestazioni ottimali sono necessari tempi precisi di spegnimento e volumi dei solventi di spegnimento. Per aiutare con questo, abbiamo costruito la pompa a siringa Ossila , che ci ha permesso di utilizzare questo processo di spegnimento per spingere i valori di efficienza di conversione di potenza interna oltre il 16%.
Nel processo a due fasi, l'alogenuro metallico (come PbI 2 ) e i componenti organici (come CH 3 NH 3 I) sono rivestiti con spin in film separati e successivi. In alternativa, i film di alogenuro di metallo possono essere rivestiti e ricotti in una camera riempita con il vapore di componente organico, noto come "processo di soluzione con vuoto" (VASP).
Un'approssimazione del metodo di spegnimento anti-solvente spesso usato per rivestire le perovskiti in un processo monofase da una soluzione precursore.
La maggior parte delle perovskiti all'avanguardia sono basate su una struttura di ossido conduttivo trasparente / ETL / Perovskite / HTL / metallo, mentre ETL e HTL si riferiscono rispettivamente agli strati di trasporto degli elettroni e di trasporto dei fori. I tipici strati di trasporto dei fori includono Spiro-OMeTAD o PEDOT: PSS , e tipici strati di trasporto di elettroni includono TiO 2 o SnO 2 . Comprendere e ottimizzare i livelli di energia e le interazioni di diversi materiali a queste interfacce offre un'area di ricerca molto interessante che è ancora in discussione.
I problemi principali per la realizzazione pratica dei dispositivi delle celle solari di perovskite sono la qualità e lo spessore del film. Lo strato di perovskite (attivo) per la raccolta della luce deve avere uno spessore di diverse centinaia di nanometri, molte volte superiore a quello del fotovoltaico organico standard , e creare strati così spessi con un'elevata uniformità può essere difficile. A meno che le condizioni di deposizione e di ricottura della temperatura siano ottimizzate, si formeranno superfici ruvide con copertura incompleta. Anche con una buona ottimizzazione, permarrà comunque una significativa rugosità superficiale. Pertanto, sono richiesti anche strati di interfaccia più spessi di quelli normalmente utilizzati. Miglioramenti alla qualità del film sono stati raggiunti attraverso una varietà di metodi. Uno di questi metodi è l'aggiunta di piccole quantità di acidi, come l'acido idroiodico o bromidrico, precedentemente discussi in un post sulla purezza di MAI rispetto alla solubilità con cloruro di piombo , o eccesso di precursore di ioduro di piombo.
Attraverso intensi sforzi di ricerca, sono state ottenute efficienze superiori al 22% utilizzando il rivestimento di spin , e sono state ottenute alte efficienze utilizzando altre tecniche di elaborazione delle soluzioni (come il rivestimento a matrice ). Ciò suggerisce che l'elaborazione di soluzioni su larga scala di perovskite sia molto fattibile.
Il futuro di Perovskites
La ricerca futura su perovskite è probabile che si concentri sulla riduzione della ricombinazione attraverso strategie come la passivazione e la riduzione dei difetti, oltre a migliorare l'efficienza attraverso l'inclusione di perovskite 2D e materiali di interfaccia meglio ottimizzati. È probabile che gli strati di estrazione della carica si spostino dai materiali organici a quelli inorganici, per migliorare sia l'efficienza che la stabilità. È probabile che il miglioramento della stabilità e la riduzione dell'impatto ambientale del piombo continuino ad essere aree significative di interesse.
Mentre la commercializzazione delle celle solari perovskite autonome incontra ancora ostacoli in termini di fabbricazione e stabilità, il loro uso nelle cellule tandem C-Si / perovskite è progredito rapidamente (con efficienze superiori al 25% raggiunte) ed è probabile che i perovskiti vedranno per la prima volta il mercato fotovoltaico come parte di questa struttura. Oltre al solare, permane un potenziale significativo per l'uso delle perovskiti in altre applicazioni, come i diodi emettitori di luce e ricordi resistivi.
Guida video per la produzione di perovskite
Per coloro che stanno appena iniziando la loro ricerca sulla perovskite, abbiamo prodotto una video guida che illustra l'intero processo di fabbricazione e misurazione del fotovoltaico perovskite. Nei nostri laboratori, abbiamo raggiunto efficienze superiori all'11% utilizzando questa particolare routine di fabbricazione. Il video qui sotto presenta un modello più vecchio e fuori produzione dell'Oncila Spin Coater . Per vedere il modello attuale, puoi visitare la pagina del prodotto qui .
Prodotti Ossila per celle solari perovskite
La pluripremiata piattaforma di prototipazione di celle solari di Ossila offre un'applicazione scientifica esemplare e un impatto nella ricerca sulle celle solari. È una raccolta coerente di substrati, materiali e apparecchiature di prova come parte di un'architettura di riferimento fotovoltaico standard ad alte prestazioni. Permette ai ricercatori di produrre celle solari di alta qualità e perfettamente funzionanti che possono essere utilizzate come linea di base affidabile.
Come ricercatori e scienziati noi stessi, comprendiamo quanto tempo sia necessario per acquisire esperienza su tutti i materiali, i processi e le tecniche necessari per produrre un dispositivo di alta qualità - e come nonostante i migliori sforzi, a volte può portare a incongruenze e non - risultati riproducibili
Abbiamo sviluppato questa piattaforma con l'obiettivo di consentirvi di concentrarvi sulla vostra ricerca (invece di progettare / approvvigionare tutti i vostri componenti) e replicare una linea di base delle prestazioni. Un vantaggio significativo di questa piattaforma è la fornitura di substrati ITO pre-modellati e apparecchiature di elaborazione ad alto throughput, con un conseguente aumento significativo della velocità di produzione per i dispositivi a celle solari, consentendo così di raccogliere più dati, molto più rapidamente. Pertanto, è possibile testare più tipi di nuovi materiali o varianti di architettura e raccogliere più dati statistici, garantendo coerenza e accuratezza.
Al livello più elementare, la maggior parte delle celle solari basate sulla perovskite sono basate su un substrato di vetro rivestito con ossido conduttivo trasparente con catodo di metallo evaporato e incapsulamento superiore. Pertanto, la nostra infrastruttura di substrato esistente e i materiali perovskite sono già utilizzati in dispositivi perovskite elaborati con soluzioni ad alte prestazioni. La nostra resina epossidica di incapsulamento standard è anche perfettamente adatta per la laminazione di vetro o altri strati barriera, come utilizzato nella carta Nature di Snaith 2014.
L'Ossila Spin Coater viene utilizzato di routine per la deposizione della nostra interfaccia e degli strati attivi con alta precisione e funzionamento semplice.
Un compagno molto utile per la Spin Coater (nella foto sopra) è la pompa a siringa Ossila . Può essere utilizzato per l'erogazione e il raffreddamento automatici dei nostri strati di perovskite per ottenere pellicole di alta qualità. I nostri colleghi accademici hanno anche fatto alcuni interessanti progressi sulle celle solari perovskite trattate con soluzioni mediante rivestimento a spruzzo sui nostri substrati standard. Inoltre, le cellule solari di perovskite vengono caratterizzate utilizzando il sistema di analisi IV di celle solari Ossila , che calcola automaticamente le metriche del dispositivo e può eseguire misurazioni di stabilità.
Inchiostro di Perovskite I101 disponibile da Ossila. È confezionato in 10 fiale singole contenenti 0,5 ml di soluzione. Questo è in grado di rivestire fino a 160 substrati. I101 può anche essere acquistato alla rinfusa (30 ml), con uno sconto del 25% rispetto alle dimensioni standard degli ordini.
Negli ultimi mesi abbiamo anche collaborato con i nostri collaboratori accademici per portare sul mercato altri prodotti a base di perovskite, tra cui: Ioduro di metilammonio ad alta purezza, Bromuro di metilammonio , Ioduro di Formamidinio e Bromuro di Formamidinio. Abbiamo anche pubblicato il nostro primo set di inchiostri perovskite, il primo di questi è I101 (MAI: PbCl 2 ), progettato per essere processato in aria e ha dimostrato efficienza nei nostri laboratori fino all'11,7%. Il nostro secondo inchiostro, I201 (MAI: PbCl 2 : PbI 2 ) è destinato alla lavorazione del mulo in atmosfera di azoto, e finora abbiamo rilevato efficienze fino all'11,8%. Entrambi gli inchiostri sono progettati per aiutare i nostri clienti a raggiungere efficienze elevate in modo incredibilmente rapido quando iniziano la loro ricerca perovskite. Includiamo routine di elaborazione ottimizzate con entrambi gli inchiostri per massimizzare i risultati.
