Výzkumníci využili korunový ether B18C6 a mezifázovou pasivaci na rozhraní transportního materiálu perovskitových děr k řešení úniku olova. Dále ke zlepšení účinnosti přeměny energie a schopnosti článku odolávat vlhkosti.
Jak se porozumění perovskitovým solárním článkům zlepšuje, vědci stále více zkoumají materiály, aby pochopili fungující mechanismy. A identifikovali tak faktory, které omezují výkon, a potenciální cesty ke zlepšení.
Nedávný výzkum identifikoval rozhraní mezi aktivním perovskitovým materiálem a dalšími buněčnými vrstvami jako zdroj velké ztráty výkonu. Tyto defekty rozhraní podporují difúzi halogenidových iontů přes rozhraní do vrstvy přenášející náboj. Což nepříznivě ovlivňuje dlouhodobou provozní stabilitu.
S ohledem na tuto skutečnost vyvinul mezinárodní výzkumný tým perovskitový solární článek. Ten slouží k využití korunového etheru k účinnosti přeměny energie a stabilitě související s vlhkostí.
Výzkumníci použili výpočty hustoty funkční teorie (DFT) k identifikaci několika kandidátů na benzo crown ether se slibnou schopností vázat olovo a poskytovat mezifázovou energetiku. Využití korunového etheru se strategicky integrovalo na rozhraní transportního materiálu perovskitových děr.
Tým zjistil, že benzo-18-crown-6-ether (B18C6) je nejlepším etherem pro mezifázovou pasivaci. Pro stanovení účinnosti vazby olova se filmy ošetřily B18C6. A následně se uložily v komoře s relativní vlhkostí 85 % při teplotě místnosti bez enkapsulace. Krystalová struktura se monitorovala pomocí rentgenové difrakce.
Perovskitový solární článek sloužící k využití korunového etheru
Experimentální článek postavený s touto sloučeninou dosáhl účinnosti přeměny energie 21,7 %. Přičemž vydržel testování degradace vlhkostí po dobu 300 hodin. A to při pokojové teplotě v 85 % vlhkosti a údajně bez úniku olova. To srovnává neupravené perovskitové kontrolní zařízení, které dosáhlo účinnosti 20,1 %.
Ošetření prodloužilo životnost nosiče náboje a snížilo rychlost rekombinace mezi materiálem pro přenos děr. Testy „jednoznačně potvrdily“ zachycení iontů olova a potlačení neradiační rekombinace,“ poznamenal tým.
Analytické techniky použité k charakterizaci vzorků zahrnovaly hmotnostní spektrometrii sekundárních iontů doby letu (ToF-SIMS), ultrafialovou fotoelektronovou spektroskopii (UPS), časově rozlišenou fotoluminiscenci (TRPL) a přechodovou absorpční spektroskopii (TAS).
Vědci uvedli, že B18C6 hraje dvojí roli, „účinně sekvestruje a imobilizuje ionty olova prostřednictvím komplexace hostitel-host a současně vytváří robustní mezifázovou pasivační vrstvu“.
,,Zvýšení VOC může přispět k pasivačnímu účinku ošetření B18C6,“ také poznamenali.
Zlepšení přeměny energie a schopnosti článku odolávat vlhkosti
Vyrobené články navíc vykazovaly stabilnější fotovoltaické výkony po vystavení 85 % relativní vlhkosti. Přičemž účinnost klesla pouze o 20 % od počátečního měření, zatímco u řídicích zařízení klesla o 80 %.
„Zatím chybí přesná analýza příčin toho, jak četné uváděné materiály na rozhraní perovskitových solárních článků elektricky a chemicky přispívají ke zlepšení dlouhodobé stability zařízení a modulů solárních článků, ve srovnání s dokumenty o účinnosti zařízení,“ řekl vedoucí výzkumu Ji-Youn Seo.
Z tohoto důvodu jsou další kroky věnovány „vývoji nových materiálů pro rozhraní na základě molekulárního inženýrství“ a „systematické analýze korelace dat, abychom pochopili, co se děje na rozhraní, když jsou jednotlivá zařízení a velkoplošné moduly vystaveny během provozu světlu. A to včetně chování elektronových děr a materiálových změn v hloubce.“
Tým bude i nadále používat řadu technologií. Včetně rentgenové, nano-IR mikroskopie atomárních sil pro studium materiálů a impedance, TAS, TRPL, sledování bodu maximálního výkonu a fotovoltážní spektroskopie s modulovanou intenzitou (IMVS) pro fyziku zařízení.
Seo naznačilo cíl pokročit směrem ke komerční výrobě stabilnějších a větších zařízení. ,,Na moduly použijeme pečlivě vybrané materiály rozhraní, abychom nakonec zajistili technologii komercializace pro perovskitové moduly se stabilitou na komerční úrovni,“ uzavřel.
Podrobnosti studie se uvádějí v „Interfacial Engineering Through Lead Binding Using Crown Ethers in Perovskite Solar Cells“, publikované v Journal of Energy Chemistry. Výzkumný tým se skládal z Pusan National University, Kyungpook National University, École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) a University of Fribourg z Adolphe Merkle Institute.
Zdroj: pv-magazine, TowPoint
