מבוא ל- Perovskite Solar Cells

חומרים Perovskite הופיעו כמעמד טרנספורמטיבי של מוליכים למחצה עבור יישומים פוטו-וולטאיים, השגת יעילות המרה כוח כי יריב הקים טכנולוגיות סיליקון בתוך עשור של מחקר אינטנסיבי שלהם התנהגות חשמלית יוצאת דופן שלהם - כולל ניידות גבוהה נושאת מטען, אורך דיפוזיה ארוך, וסובלנות פגומה יוצאת דופן - ניתן המרה יעילה של אור השמש לתוך חשמל.

מאמר זה מספק ניתוח מקיף של המאפיינים החשמליים של חומרים perovskite המשמשים תאים סולאריים.We לחקור את מבנה הקריסטל שלהם, מנגנוני תחבורה מטען, פרמטרים חשמליים מרכזיים, טכניקות מדידה, ואת האתגרים העיקריים החוקרים מטפלים כדי לשפר את אמינות המכשיר ואת ההיקף.

מה הם חומרים Perovskite?

(ב) [17] , [17] , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

מבנה קריסטל והשפעה על התנהגות חשמלית

המבנה perovskite מורכב של רשת תלת-ממדית של שיתוף פינה BXFLT:06030303FLT:1 octahedra, עם A logging של חללים בין-יסודיים.הסידור הזה יוצר תנודות ישירות של להקות עם ספיגה אופטית חזקה על פני הספקטרום הנראה לעין.

כוונון של נכסים אלקטרוניים

אחת התכונות החזקות ביותר של perovskites היא היכולת לכוון את ה-Sgap שלהם ואת תכונות חשמלי על ידי שינוי ההרכב. החלפת methylammonium עם צורהamidinium להפחית את ה- 1.6 eV ל 1.48 eV, שיפור ספיגה ב- 1-infraation אסטרטגיה של הפעלה ישירה (למשל, I / B) מאפשר להקה רציפה של בערך 1.5Vidation עם תכונות נוספות של ייצור של נפח IFDR.

תכונות חשמל חיוניות של חומרים Perovskite

נושא הניידות והדיפוזיה לאורך זמן

(החומר) מובילת מטען (μ) מנבאת כמה מהר אלקטרונים וחורים נסחף תחת שדה חשמלי.בסרטים דלים באיכות גבוהה perovskite, הן אלקטרונים והן מגיוסי חור נע בין 1 ל 100 ס"מ:02FLT:1 sve VFLT:2-1,1FLT:4), לעומת זאת, הם מעל בגודל של 10 שכבות של חומר גלם גבוה יותר, לפני הספירה לאחור, 000, 000 גבוה יותר, 000.

הגנה על סובלנות ומלכודת

(ב) Perovskites מציג סובלנות יוצאת דופן לפגמים בהשוואה למוליכים למחצה קונבנציונליים כגון סיליקון או גירוד arsenide. רוב הפגמים ב perovskites טופס מלכודות רדודה מדינות ליד הקצוות של הלהקה, אשר אינם פועלים כמרכזי התחדשות לא-ראדיטיביים (הרוב צמיגים נמוכים) מאשר צמיגים זעירים (בדרך כלל 10FLT:0143-10FLT: LT:2:2033)

Bandgap ו-Absorption Coefficient

Perovskites יש להקה ישירה עם קליט גבוה (~10FLT:05cioFLT 1 ס"מ ⁇ FLT:2-1FLT 3), המאפשר ספיגה אור מלאה בסרטים רק כמה מאות ננומטרים עבה. ניגודים אלה עם סיליקון-קפיץ', הדורשים בערך 200 מיקרומטר לספוג את רוב photons.

דרישות תחבורה Mechanisms in Perovskite Solar Cells

ד"ר ו Diffusion

תחבורה המטען בתאי השמש perovskite מתרחשת באמצעות שני תהליכים משלימים: סחף (המופעל על ידי שדה חשמלי בנוי) ודיפוזיה (הנעה על ידי ריכוז ⁇ s) בשכבה הפעילה, אלקטרונים ממוחזרים וחורים נעים לעבר שכבת ההובלה האלקטרונית (ETL) ושכבת הובלה החור (HTL), בהתאמה.שדה החשמלי הפנימי, העולה מהתפקוד בין אלקטרודות לבין אנשי הקשר הסלקטיביים, מסייעות באופן ישיר, כדי להבטיח את רמות האיסוף של נושאות המתאימות, באופן ישיר, באופן ישיר, באופן ישיר, באופן ישיר, בהתאמה.

המונחים: pathways

שילוב של אלקטרונים וחורים הוא מנגנון אובדן העיקרי בתאי השמש perovskite.שלושה סוגים עיקריים מוכרים:

  • (ב) ⁇ :0) ,Radiative (band-to-band) Recombination: Fevolve1 1 אלקטרונים ובור recombine פולטים תמונה.תהליך זה הוא טבועה בכל המוליכים למחצה ומגדיר גבול יעילות תיאורטית (מאזן מופחת).
  • (FLT:0) מזעזעלי-קריאה-היל (SRH) Recombination:FLT:1 מתווך על ידי מדינות מלכודות ברמה עמוקה.
  • (ב) [ה]הבאה: [ה]: [ה] [ה]: [ה], [ה], [ה], [ה],], [ה], בין היתר,], הוא הופך משמעותי רק במקריות גבוהה מאוד של חברות (למשל, תחת אור שמש מרוכז או זריקה גבוהה).

צמצום של ריבאום לא-ראדיטיבי באמצעות איכות חומרית משופרת ועברת גבולות דגנים הוא מוקד מחקר מרכזי.

תפקיד של טבלאות וקשרי קשר נבחרים

(הממשקים בין שכבת ההסקלאסקטית לבין שכבות ההובלה המטען ממלאים תפקיד קריטי בביצועי המכשיר.רמת אנרגיה משוחררת היטב תואמת הבטחת החילוץ של מוביל יעיל תוך חסימת המוביל הנגדי.לדוגמה, ETL (בעיקר TiOFLT:02FLT) או SnOFLT:2FLT: 22FLT3) חייבים להיות מוליכים מתחת ל-R.

גורמים המשפיעים על התנהגות חשמלית

טמפרטורה תלות

הטמפרטורה משפיעה מאוד על תחבורה אחראית ב perovskites. as טמפרטורה יורדת, ניידות המוביל בדרך כלל על עקב פיזור פוני מופחת.עם זאת, בטמפרטורות נמוכות (נמוך כ-160 K עבור MAPbIOVAFLT:0) 33FLT:1), שלב מעבר מ tetragonal ל אוthorhombic מבנה מתרחשת, אשר משנה את ה-Sgap ונכסים תחבורה מוגברת (abo- 300-retion), הופך להיות בעייתי, ו-reca-reca-retion ארוך, ו-reperacrion קשה, ו- 300.

אור אינטנסיביות והכחשה נושאת

תחת תאורה סולארית, צפיפות נושא photogenerated סרט perovskite יכול לעלות על 10Fua:0 ;0 ;1503FLT 1 ס"מ ס"מ ;2 -3 LT 3 ברמות הזריקה גבוהות, מוליכות עולה עקב photoconductivity. Recombination Shift from monomolecular (מבודד) באור נמוך ל- bimolecular (diative) במתח פתוח מדויק.

הגירה ו Hysteresis

הגירה איון היא תופעה ייחודית ומאתגרת ב perovskites היברידית.המושגים הניידים (למשל, vacancies ו interstitials) סחף תחת שדה חשמלי בנוי-בבסיס, המוביל לפיזור מחדש שמשנה את השדה הפנימי ואת המאפיינים האלקטרוניים.זהו הגורם העיקרי של ההיסטריה הנוכחית-וולת, שבו היעילות נמדדת תלויה בכיוון הניקולארי וניתן גם למזער את הפירוק של שלב המתכת.

גרלין ברודור ומיקרו-מבנה

סרטי פוליקריסטלליין perovskite מורכבים מדגנים מופרדים על ידי גבולות שיכולים לפעול כמו אתרי recombination או ערוצים להגירה ion.עם זאת, גבולות דגנים מחוספסים ב perovskites הם לעתים קרובות שפירים ואולי אפילו להקל על תחבורה המטען.ההתנהגות החשמלית היא רגישה מאוד לגודל דגנים, אוריינטציה גבישית, ואת נוכחות של שלבים משניים.

טכניקות לחיקוי התנהגות חשמלית

אפקט הול ומדידות התנהגות

אפקט הול הוא שיטה סטנדרטית לקבוע את סוג המוביל, ריכוז המוביל, וניידות בסרטים דקים.על ידי יישום שדה מגנטי perpendicular לזרם הנוכחי, מתח האולם מגלה אם החומר הוא n-type או p-type (perovskites הם בדרך כלל intrinsic עם צפיפות גבוהה מאוד של נושא נמוך). טמפרטורות תלויות יכול להבהיר מנגנונים עבור perovskite סרטים, נקבובית p הוא לעתים קרובות למדוד גיאומטריה קלה.

זמן-Resolved Photoluminescence (TRPL)

[01PL] היא טכניקה עוצמתית לחקור את חיי החברה ואת הדינמיקה של Recombination.A קצר הדופק מעוררי לייזר, ואת דעיכת של photoluminescence הוא מעקב. עקומת העקומה בדרך כלל מציגה שני מרכיבים: דעיכה ראשונית הקשורה להתפרצות של חומר מחוספס ב-מלכודת (Fentis) ורכיב איטי יותר משקף מחדש מרומזם קרינה.

המונחים: Spectroscopy

ספקטרום spectroscopy מודד את הדחף המורכב על פני מגוון של תדרים, מתן מידע על התנגדות הובלה המטען, קיבולים, ותהליכי שיקום.בתאים סולאריים perovskite, העלילה Nyquist לעתים קרובות מראה שני קשתים: קשת גבוהה ⁇ מיוחסת להטעין תחבורה בפח ובמגעים, ו a low- ⁇ קשורה עם תנועה או תנועה אלקטרונית עוזר להבחין זה.

Space-Charge-Limited Current (SCLC)

מדידות SCLC במתקנים רק או אלקטרונים בלבד מאפשרות לחלץ את צפיפות הניידות והמלכודת.על ידי מדידה של המאפיין הנוכחי-המורכב בחשיכה תחת הטיה קדימה, ניתן לזהות שלושה משטרים: הומימי (מתח נמוך), מוגבל במלכודת (intermediate), והחוק של הילד (מתח גבוה) מגבלת המלכודת מלאה המלכודת מספקת את הדחיסות, בעוד שהחוקים של הילד מניב את שיטת ההובלה הזו משמשת באופן נרחב לריכוז.

משאבים חיצוניים

  • (ב) [15] [15] [15] ]] ]] ]] ]] ]] ]] ]] ]] ]] ]] ]] ]] ]] ]] ]] ]] ]] ]] ]]
  • (ב) ⁇ :0 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ⁇ :0) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

אתגרים וכיוונים עתידיים

יציבות בתנאים אמיתיים

למרות יעילות ראשונית יוצאת דופן, תאים סולאריים perovskite היברידית יורד מתחת חום, לחות, חמצן, תאורה רציפה.התנהגות חשמלית משתנה לאורך זמן: הגירה של יון מאיצה, נחיתות מלכודות, ואת perovskite עשוי להיפטר לתוך PbIFLT:02FLT:1 ורכיבים אורגניים.

מוביל לשקיפות ודאגות סביבתיות

מוביל הוא מרכיב מרכזי ב perovskites בעל ההשכלה הגבוהה ביותר, בהתחשב כי מוביל הוא רעיל ויכול להיצמד לתוך אדמה ומים, כימאים חופשיים או מובילים נחקרים. ân-based perovskites (למשל, הבנה FASNIFLT:03FLT:1) מציעים רעילות נמוכה יותר אבל כרגע סובל מיציבות ירודה ויעילות נמוכה יותר עקב אופטימיזציה של תרופות נוגדות גדולות יותר עבור חומצה יעילה יותר עבור LT2.

ייצור סקאלה ושילוב מודול

מעבר מסרטים בקנה מידה מעבדה ספין-קומדי (בדרך כלל 0.1 ס"מ סנטימטרים:02oriFLT:1) למודולים גדולים (>100 ס"מFLT:2FLT 3:2FLT 3: 3) מציג לא אחידות, מסלקת דרכים סטנדרטיות, והפסדים סדרת התנגדות כי ביצועים חשמליים מדרגים כגון דיפלו, ציפוי הדפסה לייזר, ופגיעה בקווים סטנדרטיים כדי לייצר חומרים סטנדרטיים סטנדרטיים.

Tandem ו- Multi-Junction מכשירים

Perovskites הם שותפים אידיאליים עבור סיליקון בתאי טנדם כי ניתן לכוונון ה-Switchgap שלהם כדי לייעל את הפיצול ספקטרלי. כל-perovskite tandem תאים, שבו שתי שכבות perovskite עם להקות שונות מערערערמות, הם גם צוברים מתח.באדריכלות כאלה, ההתנהגות החשמלית של כל תא חייב להיות מאוזנת בדיוק: הנוכחי חייב להיות מותאם, ואת שכבת recombination בין תאים שקוף חייב להיות צורך לבצע את היישר חזק מאוד.

מסקנה

ההתנהגות החשמלית של חומרים perovskite היא הבסיס להצלחה יוצאת דופן שלהם photovoltaics. ניידות גבוהה, אורך דיפוזיה ארוך, סובלנות פגומה, ולהקות טונהליות מאפשרות מכשירים אשר ניגשים לגבולות יעילות תיאורטית.עם זאת, אתגרים כגון הגירה ion, יציבות, רעילות מובילה, ורמתיות דורשות המשך יסודית ויישום טכניקות לספק תובנות עמוקות לתוך תחבורה, rebination, והשפלה של תאים גרעיניים ברמה גבוהה לא יעילה של ביצועים סטנדרטיים.

שיתוף פעולה מתמשך בין מדעני חומרים, מהנדסי חשמל ופיזיקאים של מכשירים יהיה חיוני לתרגם את תוצאות המעבדה יוצאות דופן לפתרונות אנרגיה סולארית מעשיים.עם התקדמות מתמשכת, לפוטוטאיקים perovskite יש את הפוטנציאל לתרום תרומה משמעותית לשינוי הגלובלי לאנרגיה מתחדשת.