Estructura de la célula solar de perovskita y el principio de la célula solar de perovskita

La célula solar con estructura de perovskita de haluro organometálico es una célula solar con una estructura de perovskita totalmente sólida como material absorbente de luz, y tiene una brecha de alta energía de aproximadamente 1,5 eV, y una película de varios cientos de nanómetros de espesor puede absorber completamente por debajo de 800 nm. Tiene una perspectiva de aplicación importante en el campo de la conversión fotoeléctrica. Las células solares de perovskita se conocen como "nuevas esperanzas en el campo de la energía fotovoltaica" debido a su buena absorbancia y tasa de transferencia de carga, así como a su enorme potencial de desarrollo. A medida que se actualizan los registros de eficiencia de las baterías, continúan surgiendo más investigaciones sobre las baterías de perovskita, que cubren el diseño estructural, los mecanismos de trabajo y la optimización de todos los aspectos del proceso de fabricación.

Estructura de la célula solar de perovskita

La célula solar de estructura de perovskita de haluro organometálico es una célula solar que tiene una estructura de perovskita totalmente sólida como material absorbente de luz. El proceso de preparación del material es simple y el costo es bajo. La estructura del material de perovskita es ABX3, en el que A es un catión orgánico, B es un ión metálico y X es un grupo halógeno. En esta estructura, el átomo de metal B está ubicado en el centro de la celda unitaria cúbica, el átomo de halógeno X está ubicado en la cara del cubo y el catión orgánico A está ubicado en el vértice del cubo. En comparación con la estructura conectada por coborde y coplanar, la estructura de perovskita es más estable y es beneficiosa para la difusión y migración de defectos.

En la estructura de perovskita utilizada para las células solares de alta eficiencia, el sitio A suele ser un catión orgánico como HC (NH2) 2+ (abreviado como FA +) o CH3NH3 + (abreviado como MA +), y su función principal es mantener el equilibrio de carga. en la red cristalina, pero el tamaño del ion A puede cambiar el tamaño de la brecha de energía. Cuando el radio del ion A aumenta, la red se expande, lo que resulta en un espacio de energía correspondientemente más pequeño y un desplazamiento hacia el rojo del borde de absorción, obteniendo así una mayor corriente de cortocircuito y una alta eficiencia de conversión de la batería de aproximadamente el 16%. El ion metálico B suele ser un ion PB, el PB tiene una buena estabilidad, pero a menudo es reemplazado por GE, SN, Ti debido a su toxicidad. Tomando SN como ejemplo, el ángulo de enlace SN-X-SN es mayor que PB y la brecha de energía es más estrecha. ASnX3 exhibe un alto voltaje de circuito abierto y buenas características optoelectrónicas con poca pérdida de voltaje. Sin embargo, en la misma familia de elementos, cuanto menor es el número atómico, peor es la estabilidad del elemento. Para resolver el problema de estabilidad, PB y SN se combinan en una cierta proporción para reducir la inestabilidad causada por SN y, al mismo tiempo, se obtiene una alta eficiencia de conversión. El grupo de halógenos X suele ser yodo, bromo y cloro. Entre ellos, una celda solar de perovskita con un grupo yodo es inferior en propiedades mecánicas (por ejemplo, elasticidad, resistencia, etc.) a una batería que tiene un grupo bromo. El espectro de absorción de electrones se amplía de Cl a I a su vez, y el desplazamiento hacia el rojo de la brecha de energía también se incrementa sucesivamente. Esto se debe a que a medida que aumenta el peso atómico, la electronegatividad del elemento se debilita y la interacción covalente con el ion metálico B se vuelve más fuerte. Los haluros orgánico-inorgánicos del tipo ABX3 tienen diferentes estructuras a diferentes temperaturas.

La estructura básica de una célula solar de perovskita suele ser un material de sustrato / vidrio conductor (sustrato de vidrio recubierto con una capa de óxido) / capa de transporte de electrones (dióxido de titanio) / capa absorbente de perovskita (capa de transporte de huecos) / cátodo metálico.

(a) células solares de perovskita mesoestructuradas;

(b) Célula solar de perovskita con estructura de heterounión plana

Después de que la luz incidente incide a través del vidrio, los fotones con energía mayor que el ancho de banda prohibido se absorben para generar excitones, y luego los excitones se separan en la capa de absorción de perovskita, se convierten en huecos y electrones, y se inyectan respectivamente en el material de transporte. . Es del material de perovskita al material de transporte del agujero, y la inyección de electrones es del material de perovskita al material de transporte de electrones (generalmente la película de dióxido de titanio). En base a esto, las perovskitas tienen dos tipos de estructuras: estructuras mesoscópicas y estructuras de heterounión plana. Estructuras mesoscópicas Las células solares de perovskita se basan en células solares sensibilizadas con colorante (DSSC) y son similares en estructura a las DSSC: calcio Los nanocristales de la estructura del mineral de titanio se adhieren al material de la estructura de óxido mesoporoso (como TiO2), y el material de transporte del orificio es depositados en la superficie, y los tres juntos sirven como una capa de transporte de agujeros. En esta estructura, el óxido mesoporoso (TiO2) es un material estructural y también puede transportar electrones. La estructura de heterounión plana separa el material de la estructura de perovskita y lo empareda entre el material de transporte de huecos y el material de transporte de electrones. Los excitones se separan en un emparedado de material de perovskita que transporta tanto huecos como electrones.

La orientación cristalográfica del material estructural de perovskita también afecta la eficiencia celular. Docampo y col. encontraron que cuando se aumenta la temperatura de remojo de la solución, o después del posterior tratamiento térmico de CH3NH3I y PbCl2, la corriente de cortocircuito de la batería es mayor y la eficiencia de conversión es mayor. El cambio en este proceso es que el eje largo de la estructura de la perovskita tiende a ser paralelo a la base, formando anisotropía. Cuanto más obvia sea esta anisotropía, mejor será el rendimiento de la batería.

La dirección de desarrollo de las células solares de perovskita.

Mejore la eficiencia de conversión de la batería

La eficiencia de conversión es la medida más importante del rendimiento de las células solares. La eficiencia de conversión de batería más alta actualmente certificada ha alcanzado el 20,1% (Figura 3). El cuello de botella que limita la eficiencia de conversión de las células solares es que la mayor parte de la energía de la luz incidente se refleja o transmite, y solo la luz cercana al espacio energético del material de la capa absorbente de luz puede absorberse y convertirse en energía eléctrica. . Por lo tanto, la clave para mejorar la eficiencia de conversión de la batería es mejorar la estructura de la banda de energía de la batería. Además de la regulación mencionada anteriormente de la brecha de energía mediante la regulación de los grupos iónicos en el material de perovskita, la preparación de células solares de unión múltiple con diferentes brechas de energía es también una de las direcciones importantes de investigación en este campo.

Además, reducir la recombinación de electrones y huecos en el proceso de transmisión para aumentar la tasa de transmisión también es una forma importante de mejorar la eficiencia de conversión.

(1) Regulación de la interfaz. Puede verse en el mecanismo de trabajo de la batería de perovskita que la mejora de la eficiencia de conversión de la célula solar de perovskita depende no solo de la capacidad de absorción de la luz sino también de la tasa de transmisión del portador en la estructura de perovskita.

(2) Mejora del proceso de preparación de la batería de perovskita. Como nuevo tipo de célula solar de película fina, la célula solar de perovskita es similar a otras células de película fina, como recubrimiento por rotación (recubrimiento por rotación en solución), evaporación al vacío (método de fase gaseosa), etc. No importa el método de preparación El propósito de la preparación película de perovskita densa y capa de transporte de alta pureza, bajo defecto, alta cobertura y alta cobertura. Su esencia es mejorar el contacto eléctrico entre diferentes capas, reducir la densidad de defectos, reducir la pérdida de portadora en el proceso de transmisión, para lograr una alta eficiencia de conversión de la batería.

(3) Intentos de nuevos materiales y nuevas estructuras de baterías. En la actualidad, el material más utilizado para las células solares de perovskita es CH3NH3PbI3 como capa absorbente de luz, TiO2 como capa de transporte de electrones y espiro-OmetaD como capa de transporte de huecos sólidos, y la eficiencia de conversión inicial alcanza el 8,3%. Con el fin de mejorar aún más la eficiencia de conversión de las células solares y resaltar las ventajas de los materiales de perovskita, la gente comenzó a usar nuevos materiales en diferentes estructuras de células solares, o diseñó nuevas estructuras de batería, y espera lograr avances.

En general, ya sea el uso de nuevos materiales o la mejora de la estructura de nuevos dispositivos, aunque varios métodos han logrado una mejor eficiencia de conversión de la batería, siguen siendo ligeramente inferiores a la estructura tradicional de las células solares de perovskita, pero desde la perspectiva de costo, estabilidad y respeto al medio ambiente, todos tienen un alto valor de investigación.

Mejorar la estabilidad de la célula solar

Los materiales de perovskita de haluro organometálico tienen poca estabilidad en condiciones de humedad y luz, y son propensos a descomponerse y hacen que la eficiencia de la batería disminuya o incluso falle. Por lo tanto, además de mejorar continuamente la eficiencia de conversión, actualmente se están trabajando muchos estudios para mejorar la estabilidad de las células solares. La estabilidad de las baterías de perovskita está limitada por varios factores ambientales como la temperatura y la humedad. Hay dos formas de mejorar la estabilidad de las baterías de perovskita: una es mejorar la estabilidad del material de perovskita en sí, y la otra es encontrar un material de capa de transporte adecuado para aislar la batería del medio ambiente e inhibir la descomposición del material de perovskita. .

En el primer método, Smith et al. utilizó un material de perovskita híbrido bidimensional (PEA) 2 (MA) 2 [Pb3I10] (PEA = C6H5 (CH2) 2NH3 +, MA = CH3NH3 +) como material absorbente (estructura como la que se muestra en la Figura 4, la estructura puede ser formada por deposición giratoria sin necesidad de recocido a alta temperatura. En comparación con el material de perovskita tridimensional ordinario (MA) [PbI3], la batería de perovskita bidimensional se colocó en un ambiente húmedo a temperatura ambiente durante 46 días sin causar una caída significativa en el rendimiento y tuvo una buena estabilidad. Sin embargo, la elección de átomos / átomos que pueden reemplazar los diversos componentes en ABX3 es limitada, y los informes de investigación relacionados son relativamente pocos. Más investigaciones en los últimos años se han centrado en este último, buscando para materiales de capa de transporte adecuados.

(a) Diagrama esquemático de dos estructuras cristalinas, en el que A y B son estructuras de material tridimensional (MA) [PbI3] y material bidimensional (PEA) 2 (MA) 2 [Pb3I10], respectivamente;

(b) Espectros XRD de diferentes películas en el ambiente húmedo después del mismo tiempo, en el que 1, 2a, 2b son respectivamente una película de material bidimensional, una película de material tridimensional con mala calidad de recubrimiento por rotación y un material tridimensional. Película con buena calidad de recubrimiento por centrifugación. Entre los dos métodos, los investigadores buscan mejores materiales de transporte de agujeros para mejorar la estabilidad de las células solares de perovskita. Los buenos materiales de transporte de orificios permiten que los excitones tengan una vida útil más prolongada y un rendimiento cuántico, lo que prolonga la vida útil de la batería. El material de transporte de orificios comúnmente utilizado en las baterías de perovskita es espiro-OmetaD dopado tipo p. Hay dos formas de mejorar la estabilidad del material cambiando el material de transporte del orificio: la primera es reemplazar el material original del orificio por otros materiales; La otra es agregar un aditivo al material del agujero o reemplazar el aditivo tipo p original.

(a) Comparación de la estabilidad de dos baterías que utilizan un derivado de tetratiafulvaleno (TTF-1) y un espiro-OmetaD como material de transporte de huecos;

(b) Agregar una batería PDPPDBTE a la estabilidad de la batería de materia prima;

(c) Estabilidad de la batería después de usar diferentes dopantes;

(d) Cambios en la eficiencia de la batería de diferentes XTHSI después de 3 meses (donde X representa elementos metálicos (como Li, Co, Ir) y ESTO representa diaciltrifluorometano).

En el segundo tipo de método, la introducción del aditivo de tipo p puede aumentar la concentración del portador, reduciendo así la resistencia en serie y la impedancia de transporte de carga en la interfaz. El dopante actualmente preferido es LiTFSI (bis (acil trifluorometano)) imida de litio). Sin embargo, en un entorno que contiene oxígeno, el oxígeno consume iones de litio en la capa de transporte del orificio y la superficie de TiO2, lo que reduce la fotocorriente, aumenta la resistencia y reduce la estabilidad de la batería. Por lo tanto, encontrar mejores aditivos no solo puede mejorar la eficiencia. Puede mejorar aún más la estabilidad. Es uno de los puntos calientes de la investigación actual para reemplazar el metal Li con otros elementos.

Lograr el respeto al medio ambiente de las células solares de perovskita

Debido a la naturaleza nociva para el medio ambiente de los materiales que contienen plomo, los investigadores se esfuerzan por lograr la ausencia de plomo, pero la correspondiente reducción en la eficiencia de conversión de la batería. El método más directo es utilizar los mismos elementos (como SN) en lugar de PB. En el material MAXI3, la brecha de energía de CH3NH3SnI3 es solo 1.3eV, que es mucho menor que el 1.55eV de CH3NH3PbI3, que puede hacer que el espectro de absorción se desplace al rojo. El uso de CsSnI3 como material absorbente de luz y la adición de SnF2 como aditivo también reducen la densidad del defecto, aumentan la concentración de portadores y, por lo tanto, mejoran la eficiencia celular. Los espectros de absorción de estos dos materiales absorbentes alternativos experimentan un desplazamiento hacia el rojo significativo y absorben una gama más amplia de luz incidente.

Desde la perspectiva de resolver la contaminación ambiental sin sacrificar la eficiencia de conversión de la batería, Chen et al. propuso otra idea para reciclar la batería del automóvil para proporcionar una fuente de plomo. Dado que la fuente de plomo en la batería del automóvil tiene las mismas propiedades del material (como estructura cristalina, morfología, absorbancia y fotoelectricidad) y propiedades fotoeléctricas, no solo proporciona la fuente de plomo necesaria para la preparación del material de perovskita, sino que también resuelve la inclusión de residuos. La batería de plomo no se puede manipular correctamente, por lo que tiene cierto valor de aplicación práctica.

Conclusión

Las células solares de perovskita también tienen algunos problemas que deben resolverse. En primer lugar, la gente se centra principalmente en mejorar los materiales y los métodos de preparación desde diferentes ángulos para mejorar la eficiencia de conversión de las baterías. Sin embargo, no han establecido un modelo teórico completo para explicar las razones de la mejora de la eficiencia de conversión de la batería. Es difícil obtener una teoría precisa y confiable de la eficiencia de conversión. En segundo lugar, cómo equilibrar la estabilidad y la eficiencia de conversión es actualmente un punto difícil. Las células solares de perovskita son muy sensibles al vapor de agua y al oxígeno. Aunque se han producido baterías con estabilidad de hasta 4 meses, la eficiencia es solo del 12%. En comparación con las células de silicio cristalino tradicionales (vida útil de hasta 25 años), todavía hay una brecha mayor. En tercer lugar, ahora también es un tema importante cómo realizar una preparación continua de gran superficie de células solares de perovskita. El tamaño de los dispositivos fabricados en el laboratorio es de tan solo unos centímetros, y todavía hay una gran distancia para satisfacer las necesidades industriales. Por último, también es un desafío importante cómo evitar el uso de metales pesados nocivos para el medio ambiente, como el plomo, teniendo en cuenta las altas eficiencias de conversión. En la actualidad, la sustitución del plomo por otros elementos suele requerir una forma más razonable de resolver los problemas medioambientales provocados por el plomo, de modo que las células solares de perovskita puedan reciclarse y regenerarse, lo que es igualmente importante para la industrialización práctica. Al mejorar las propiedades interfaciales entre la capa de perovskita y otras capas conductoras, y al buscar materiales de transporte de electrones / huecos más eficientes, la eficiencia de conversión de la batería todavía tiene un gran margen de mejora y la estabilidad de la célula solar puede mejorarse. La realización de materiales de perovskita sin plomo se ha convertido en uno de los factores clave para la aceptación final de las células solares de perovskita en el público.

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