Perowskit-Solarzellenstruktur und das Prinzip der Perowskit-Solarzelle

Die Solarzelle mit metallorganischer Halogenidperowskitstruktur ist eine Solarzelle mit einer vollständig festen Perowskitstruktur als lichtabsorbierendes Material und hat eine hohe Energielücke von etwa 1,5 eV, und ein Film mit einer Dicke von mehreren hundert Nanometern kann unter 800 nm vollständig absorbieren. Es hat eine wichtige Anwendungsperspektive auf dem Gebiet der photoelektrischen Umwandlung. Perowskit-Solarzellen sind aufgrund ihrer guten Absorption und Ladungsübertragungsrate sowie ihres enormen Entwicklungspotenzials als "neue Hoffnungen auf dem Gebiet der Photovoltaik" bekannt. Da die Aufzeichnungen zur Batterieeffizienz immer wieder aktualisiert werden, werden immer mehr Untersuchungen zu Perowskit-Batterien durchgeführt, die sich mit dem strukturellen Design, den Arbeitsmechanismen und der Optimierung aller Aspekte des Herstellungsprozesses befassen.

Perowskit-Solarzellenstruktur

Die Solarzelle mit metallorganischer Halogenidperowskitstruktur ist eine Solarzelle mit einer vollständig festen Perowskitstruktur als lichtabsorbierendes Material. Der Materialvorbereitungsprozess ist einfach und die Kosten gering. Die Struktur des Perowskitmaterials ist ABX3, wobei A ein organisches Kation, B ein Metallion und X eine Halogengruppe ist. In dieser Struktur befindet sich das Metall-B-Atom in der Mitte der kubischen Einheitszelle, das Halogen-X-Atom befindet sich an der Seite des Würfels und das organische Kation A befindet sich an der Spitze des Würfels. Im Vergleich zu der Struktur, die durch Co-Edge und Coplanar verbunden ist, ist die Perowskitstruktur stabiler und begünstigt die Diffusion und Migration von Defekten.

In der Perowskitstruktur, die für hocheffiziente Solarzellen verwendet wird, ist die A-Stelle normalerweise ein organisches Kation wie HC (NH2) 2+ (abgekürzt als FA +) oder CH3NH3 + (abgekürzt als MA +), und ihre Hauptfunktion besteht darin, das Ladungsgleichgewicht aufrechtzuerhalten im Kristallgitter, aber die Größe des A-Ions kann die Größe der Energielücke ändern. Wenn der Radius des A-Ions zunimmt, dehnt sich das Gitter aus, was zu einer entsprechend kleineren Energielücke und einer Rotverschiebung der Absorptionskante führt, wodurch ein größerer Kurzschlussstrom und eine hohe Batterieumwandlungseffizienz von etwa 16% erhalten werden. Metallion B ist normalerweise ein PB-Ion, PB hat eine gute Stabilität, wird jedoch aufgrund der Toxizität häufig durch GE, SN, Ti ersetzt. Am Beispiel von SN ist der SN-X-SN-Bindungswinkel größer als PB und die Energielücke ist enger. ASnX3 weist eine hohe Leerlaufspannung und gute optoelektronische Eigenschaften bei geringem Spannungsverlust auf. In derselben Elementfamilie ist die Elementstabilität jedoch umso schlechter, je kleiner die Ordnungszahl ist. Um das Stabilitätsproblem zu lösen, werden PB und SN in einem bestimmten Verhältnis kombiniert, um die durch SN verursachte Instabilität zu verringern, und gleichzeitig wird eine hohe Umwandlungseffizienz erhalten. Die Halogengruppe X ist üblicherweise Jod, Brom und Chlor. Unter diesen ist eine Perowskit-Solarzelle mit einer Iodgruppe in ihren mechanischen Eigenschaften (z. B. Elastizität, Festigkeit usw.) einer Batterie mit einer Bromgruppe unterlegen. Das Elektronenabsorptionsspektrum wird wiederum von Cl nach I erweitert, und die Rotverschiebung der Energielücke wird ebenfalls sukzessive erhöht. Dies liegt daran, dass mit zunehmendem Atomgewicht die Elektronegativität des Elements schwächer wird und die kovalente Wechselwirkung mit dem Metallion B stärker wird. Die organisch-anorganischen Halogenide vom Typ ABX3 haben bei unterschiedlichen Temperaturen unterschiedliche Strukturen.

Die Grundstruktur einer Perowskit-Solarzelle ist üblicherweise ein Substratmaterial / leitfähiges Glas (mit einer Oxidschicht beschichtetes Substratglas) / Elektronentransportschicht (Titandioxid) / Perowskit-Absorberschicht (Lochtransportschicht) / Metallkathode.

(a) mesostrukturierte Perowskit-Solarzellen;

(b) Perowskit-Solarzelle mit planarer Heteroübergangsstruktur

Nachdem das einfallende Licht durch das Glas einfällt, werden Photonen mit einer Energie größer als die verbotene Bandbreite absorbiert, um Exzitonen zu erzeugen, und dann werden die Exzitonen in der Perowskit-Absorptionsschicht getrennt, werden zu Löchern und Elektronen und werden jeweils in das Transportmaterial injiziert . Es erfolgt vom Perowskitmaterial in das Lochtransportmaterial, und die Elektroneninjektion erfolgt vom Perowskitmaterial in das Elektronentransportmaterial (üblicherweise der Titandioxidfilm). Auf dieser Grundlage weisen Perowskite zwei Arten von Strukturen auf: mesoskopische Strukturen und planare Heteroübergangsstrukturen. Mesoskopische Strukturen Perowskit-Solarzellen basieren auf farbstoffsensibilisierten Solarzellen (DSSCs) und haben eine ähnliche Struktur wie DSSCs: Calcium Die Nanokristalle mit Titanerzstruktur sind an das Gerüstmaterial aus mesoporösem Oxid (wie TiO2) gebunden, und das Lochtransportmaterial ist auf der Oberfläche abgeschieden, und die drei zusammen dienen als Lochtransportschicht. In dieser Struktur ist mesoporöses Oxid (TiO2) sowohl ein Gerüstmaterial als auch kann Elektronen transportieren. Die planare Heteroübergangsstruktur trennt das Perowskitstrukturmaterial und schiebt es zwischen das Lochtransportmaterial und das Elektronentransportmaterial. Exzitonen werden in einem Sandwich aus Perowskitmaterial getrennt, das sowohl Löcher als auch Elektronen transportiert.

Die kristallographische Orientierung des Perowskit-Strukturmaterials beeinflusst auch die Zelleffizienz. Docampo et al. fanden heraus, dass bei Erhöhung der Tränktemperatur der Lösung oder nach der anschließenden Wärmebehandlung von CH3NH3I und PbCl2 der Kurzschlussstrom der Batterie größer und die Umwandlungseffizienz höher ist. Die Änderung in diesem Prozess besteht darin, dass die Längsachse der Perowskitstruktur dazu neigt, parallel zur Basis zu sein und Anisotropie zu bilden. Je offensichtlicher diese Anisotropie ist, desto besser ist die Batterieleistung.

Die Entwicklungsrichtung von Perowskit-Solarzellen

Verbessern Sie die Effizienz der Batterieumwandlung

Die Umwandlungseffizienz ist das wichtigste Maß für die Leistung von Solarzellen. Die höchste derzeit zertifizierte Batterieumwandlungseffizienz hat 20,1% erreicht (Abbildung 3). Der Engpass, der die Umwandlungseffizienz von Solarzellen begrenzt, besteht darin, dass der größte Teil der Energie des einfallenden Lichts reflektiert oder durchgelassen wird und nur das Licht nahe der Energielücke des Materials der lichtabsorbierenden Schicht absorbiert und in elektrische Energie umgewandelt werden kann . Daher besteht der Schlüssel zur Verbesserung der Umwandlungseffizienz der Batterie darin, die Energiebandstruktur der Batterie zu verbessern. Neben der oben erwähnten Regulierung der Energielücke durch Regulierung der Ionengruppen im Perowskitmaterial ist die Herstellung von Mehrfachsolarzellen mit unterschiedlichen Energielücken auch eine der wichtigen Forschungsrichtungen auf diesem Gebiet.

Darüber hinaus ist die Verringerung der Rekombination von Elektronen und Löchern im Übertragungsprozess zur Erhöhung der Übertragungsrate auch ein wichtiger Weg zur Verbesserung der Umwandlungseffizienz.

(1) Schnittstellenregelung. Aus dem Arbeitsmechanismus der Perowskitbatterie ist ersichtlich, dass die Verbesserung der Umwandlungseffizienz der Perowskit-Solarzelle nicht nur von der Absorptionskapazität des Lichts, sondern auch von der Übertragungsrate des Trägers in der Perowskitstruktur abhängt.

(2) Verbesserung des Vorbereitungsprozesses der Perowskitbatterie. Als neuartiger Typ einer Dünnschichtsolarzelle ähnelt die Perowskit-Solarzelle anderen Dünnschichtszellen wie Schleuderbeschichtung (Lösungsschleuderbeschichtung), Vakuumverdampfung (Gasphasenmethode) usw. Unabhängig von der Herstellungsmethode Der Zweck der Herstellung hochreiner, fehlerarmer, dichter, dichter Perowskitfilm und Transportschichtfilm. Seine Essenz besteht darin, den elektrischen Kontakt zwischen verschiedenen Schichten zu verbessern, die Defektdichte zu verringern, den Trägerverlust im Übertragungsprozess zu verringern, um eine hohe Batterieumwandlungseffizienz zu erzielen.

(3) Versuche zu neuen Materialien und neuen Batteriestrukturen. Derzeit ist CH3NH3PbI3 als lichtabsorbierende Schicht, TiO2 als Elektronentransportschicht und Spiro-OmetaD als Transportschicht für feste Löcher das am häufigsten verwendete Material für Perowskit-Solarzellen, und die anfängliche Umwandlungseffizienz erreicht 8,3%. Um die Umwandlungseffizienz von Solarzellen weiter zu verbessern und die Vorteile von Perowskitmaterialien hervorzuheben, begannen die Menschen, neue Materialien für verschiedene Strukturen von Solarzellen zu verwenden oder neue Batteriestrukturen zu entwerfen, und hoffen auf Durchbrüche.

Unabhängig davon, ob es sich um die Verwendung neuer Materialien oder die Verbesserung der Struktur neuer Geräte handelt, sind verschiedene Methoden zwar eine bessere Effizienz der Batterieumwandlung erzielt, sie sind jedoch immer noch geringfügig niedriger als die herkömmliche Struktur von Perowskit-Solarzellen, jedoch aus der Perspektive von Kosten, Stabilität und Umweltfreundlichkeit haben alle einen hohen Forschungswert.

Verbessern Sie die Stabilität von Solarzellen

Metallorganische Halogenid-Perowskit-Materialien weisen unter feuchten und leichten Bedingungen eine schlechte Stabilität auf und neigen zur Zersetzung und führen dazu, dass die Batterieeffizienz abnimmt oder sogar versagt. Daher arbeiten derzeit neben der kontinuierlichen Verbesserung der Umwandlungseffizienz viele Studien daran, die Stabilität von Solarzellen zu verbessern. Die Stabilität von Perowskitbatterien wird durch verschiedene Umgebungsfaktoren wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit begrenzt. Es gibt zwei Möglichkeiten, die Stabilität von Perowskitbatterien zu verbessern: Eine besteht darin, die Stabilität des Perowskitmaterials selbst zu verbessern, und die andere darin, ein geeignetes Transportschichtmaterial zu finden, um die Batterie von der Umgebung zu isolieren und die Zersetzung des Perowskitmaterials zu verhindern .

Bei der ersteren Methode haben Smith et al. verwendeten ein zweidimensionales Hybrid-Perowskit-Material (PEA) 2 (MA) 2 [Pb3I10] (PEA = C6H5 (CH2) 2NH3 +, MA = CH3NH3 +) als absorbierendes Material (Struktur wie in 4 gezeigt, kann die Struktur sein Im Vergleich zu gewöhnlichem dreidimensionalem Perowskitmaterial (MA) [PbI3] wurde die zweidimensionale Perowskitbatterie 46 Tage lang bei Raumtemperatur in eine feuchte Umgebung gebracht, ohne dies zu verursachen ein signifikanter Leistungsabfall und eine gute Stabilität. Die Auswahl an Atomen / Atomen, die die verschiedenen Komponenten in ABX3 ersetzen können, ist jedoch begrenzt, und verwandte Forschungsberichte sind relativ wenige. Weitere Forschungen in den letzten Jahren haben sich auf letztere konzentriert für geeignete Transportschichtmaterialien.

(a) Schematische Darstellung von zwei Kristallstrukturen, wobei A und B Strukturen aus dreidimensionalem Material (MA) [PbI3] bzw. zweidimensionalem Material (PEA) 2 (MA) 2 [Pb3I10] sind;

(b) XRD-Spektren verschiedener Filme in der feuchten Umgebung nach derselben Zeit, wobei 1, 2a, 2b jeweils ein zweidimensionaler Materialfilm, ein dreidimensionaler Materialfilm mit schlechter Schleuderbeschichtungsqualität und ein dreidimensionales Material sind Film mit guter Schleuderbeschichtungsqualität. Unter den beiden Methoden suchen Forscher nach besseren Lochtransportmaterialien, um die Stabilität von Perowskit-Solarzellen zu verbessern. Gute Lochtransportmaterialien ermöglichen es Exzitonen, längere Lebensdauern und Quantenausbeuten zu haben, was die Batterielebensdauer verlängert. Das Lochtransportmaterial, das üblicherweise in Perowskitbatterien verwendet wird, ist p-dotiertes Spiro-OmetaD. Es gibt zwei Möglichkeiten, die Materialstabilität durch Ändern des Lochtransportmaterials zu verbessern: Die erste besteht darin, das ursprüngliche Lochmaterial durch andere Materialien zu ersetzen. Die andere Möglichkeit besteht darin, dem Lochmaterial ein Additiv hinzuzufügen oder das ursprüngliche Additiv vom p-Typ zu ersetzen.

(a) Vergleich der Stabilität von zwei Batterien unter Verwendung eines Tetrathiafulvalen-Derivats (TTF-1) und eines Spiro-OmetaD als Lochtransportmaterial;

(b) Hinzufügen einer PDPPDBTE-Batterie zur Stabilität der Rohstoffbatterie;

(c) Stabilität der Batterie nach Verwendung verschiedener Dotierstoffe;

(d) Änderungen der Batterieeffizienz verschiedener XTHSI nach 3 Monaten (wobei X Metallelemente (wie Li, Co, Ir) und DIESES Diacyltrifluormethan darstellt).

Bei der zweiten Art von Verfahren kann die Einführung des Additivs vom p-Typ die Trägerkonzentration erhöhen, wodurch der Serienwiderstand und die Ladungstransportimpedanz an der Grenzfläche verringert werden. Der derzeit bevorzugte Dotierstoff ist LiTFSI (Lithiumbis (acyltrifluormethan)) imid). In einer sauerstoffhaltigen Umgebung verbraucht Sauerstoff jedoch Lithiumionen auf der Lochtransportschicht und der TiO2-Oberfläche, wodurch der Photostrom verringert, der Widerstand erhöht und die Batteriestabilität verringert wird. Das Finden besserer Additive kann daher nicht nur die Effizienz verbessern. Es kann die Stabilität weiter verbessern. Es ist einer der Hotspots der aktuellen Forschung, Metall-Li durch andere Elemente zu ersetzen.

Erzielen Sie Umweltfreundlichkeit von Perowskit-Solarzellen

Aufgrund der umweltschädlichen Natur bleihaltiger Materialien streben die Forscher eine bleifreie, aber entsprechende Verringerung der Batterieumwandlungseffizienz an. Die direkteste Methode besteht darin, anstelle von PB dieselben Elemente (z. B. SN) zu verwenden. Im MAXI3-Material beträgt die Energielücke von CH3NH3SnI3 nur 1,3 eV, was viel niedriger ist als die 1,55 eV von CH3NH3PbI3, wodurch sich das Absorptionsspektrum rot verschieben kann. Die Verwendung von CsSnI3 als lichtabsorbierendes Material und die Zugabe von SnF2 als Additiv verringern auch die Defektdichte, erhöhen die Trägerkonzentration und verbessern dadurch die Zelleffizienz. Die Absorptionsspektren dieser beiden alternativen absorbierenden Materialien unterliegen einer signifikanten Rotverschiebung und absorbieren einen größeren Bereich des einfallenden Lichts.

Unter dem Gesichtspunkt der Lösung der Umweltverschmutzung ohne Einbußen bei der Effizienz der Batterieumwandlung haben Chen et al. schlug eine andere Idee vor, die Autobatterie zu recyceln, um eine Bleiquelle bereitzustellen. Da die Bleiquelle in der Autobatterie die gleichen Materialeigenschaften (wie Kristallstruktur, Morphologie, Absorption und Photoelektrizität) und photoelektrischen Eigenschaften aufweist, liefert sie nicht nur die für die Herstellung des Perowskitmaterials erforderliche Bleiquelle, sondern löst auch die Abfallaufnahme. Die Bleibatterie kann nicht richtig gehandhabt werden, daher hat sie einen bestimmten praktischen Anwendungswert.

Fazit

Perowskit-Solarzellen haben auch einige Probleme, die gelöst werden müssen. Zunächst konzentrieren sich die Menschen hauptsächlich auf die Verbesserung von Materialien und Vorbereitungsmethoden aus verschiedenen Blickwinkeln, um die Umwandlungseffizienz von Batterien zu verbessern. Sie haben jedoch kein vollständiges theoretisches Modell erstellt, um die Gründe für die Verbesserung der Effizienz der Batterieumwandlung zu erklären. Es ist schwierig, eine genaue und zuverlässige Theorie der Umwandlungseffizienz zu erhalten. Zweitens ist es derzeit schwierig, Stabilität und Umwandlungseffizienz in Einklang zu bringen. Perowskit-Solarzellen reagieren sehr empfindlich auf Wasserdampf und Sauerstoff. Obwohl Batterien mit einer Stabilität von bis zu 4 Monaten hergestellt wurden, beträgt der Wirkungsgrad nur 12%. Im Vergleich zu herkömmlichen kristallinen Siliziumzellen (Lebensdauer bis zu 25 Jahre) besteht immer noch eine größere Lücke. Drittens ist es jetzt auch ein wichtiges Thema, wie eine großflächige kontinuierliche Herstellung von Perowskit-Solarzellen realisiert werden kann. Die Größe der im Labor hergestellten Geräte beträgt nur wenige Zentimeter, und es besteht immer noch ein Abstand zur Erfüllung der industriellen Anforderungen. Schließlich ist es auch eine große Herausforderung, die Verwendung umweltschädlicher Schwermetalle wie Blei unter Berücksichtigung hoher Umwandlungseffizienzen zu vermeiden. Gegenwärtig erfordert das Ersetzen von Blei durch andere Elemente normalerweise einen vernünftigeren Weg, um die durch Blei verursachten Umweltprobleme zu lösen, damit die Perowskit-Solarzellen recycelt und regeneriert werden können, was für die praktische Industrialisierung gleichermaßen wichtig ist. Durch die Verbesserung der Grenzflächeneigenschaften zwischen der Perowskitschicht und anderen leitenden Schichten und die Suche nach effizienteren Elektronen / Loch-Transportmaterialien hat die Batterieumwandlungseffizienz immer noch einen sehr großen Raum für Verbesserungen, und die Stabilität der Solarzelle kann verbessert werden. Die Realisierung bleifreier Perowskit-Materialien ist zu einem der Schlüsselfaktoren für die endgültige Akzeptanz von Perowskit-Solarzellen in der Öffentlichkeit geworden.

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