27 Aralık 2023 (Nanowerk Gündemi) Araştırmacılar uzun süredir verimliliği en üst düzeye çıkarmaya çalışıyorlar. Perovskite Üretim maliyetlerini en aza indirirken güneş pilleri. Daha ince güneş pili filmleri düşük maliyetli üretime olanak tanır ancak verimliliği sınırlar. Daha kalın filmler verimliliği artırır ancak performansı zayıflatan kusurlara eğilimlidir. Bununla birlikte, mikron ölçekli perovskit filmlere yönelik önceki denemelerde doldurma faktörü ve voltajda dikkate değer düşüşler yaşandı. Böylece verimlilik potansiyelleri sınırlanıyor. Kalınlık ve verimlilik arasında optimum dengeyi yakalamanın kalıcı bir zorluk olduğu kanıtlanmıştır.
Malzeme ve üretimdeki son yenilikler, perovskit güneş pillerini ticari açıdan uygulanabilirliğin zirvesine taşıdı. Verimlilik artık geleneksel silikon hücrelere rakip olurken, üretim için çok daha az enerji ve maliyet gerekiyor. Bununla birlikte, daha geniş çapta benimsenmesi, ekonomik üretim tekniklerini korurken performansın ve istikrarın arttırılmasına bağlıdır.
Almanya'daki Forschungszentrum Jülich'teki bir ekibin yeni çalışması bildirildi Gelişmiş Enerji Malzemeleri (“Verimli Mikrometre Kalınlığında Perovskit Güneş Pilleri için Delik Taşıyan Çift Katmanlar”), temel olarak taşıma katmanlarının kalınlığa bağlı kayıpları artırmada oynadığı kritik rolü tanır. Mükemmel amortisör hareketliliği/ömürleri ile bile. Yazarlar, dirençli kayıpları ve rekombinasyonu azaltmak için çift katmanlı delik taşıma mimarisini optimize ederek 1 mikronun üzerindeki kalınlıkta dikkate değer bir verimlilik elde etmeyi başardılar.
a) Temsilci raporlarda ve bu çalışmada FF ile karşılık gelen perovskit film kalınlığı ve bant aralığının karşılaştırılması. b) Me-4PACz'ye dayalı olarak farklı kalınlıklara sahip perovskit güneş pillerinin aydınlatılmış J – V eğrileri, hücre performans parametreleri Tablo S1, Destekleyici Bilgilerde listelenmiştir. c) Farklı dirençler dikkate alınarak Denklem (1)'e göre bant aralığının bir fonksiyonu olarak doldurma faktörü. (© Wiley-VCH Verlag)
Bu araştırma, kalınlığı verimlilik sınırlamalarından ayıran ustaca bir güneş pili mimarisine odaklanıyor. Yazarlar, özel organik filmleri perovskit katmanının etrafına sandviçleyerek, en yüksek performanstan ödün vermeden mikron ölçeğinde kalınlıklar elde edilmesini sağlıyor. Tasarımları, daha ince versiyonlarla karşılaştırıldığında minimum kayıpla 20.2 mikronun üzerindeki kalınlıkta %1 gibi kayda değer bir verimlilik elde ediyor.
Baş yazar Thomas Kirchartz'ın açıkladığı gibi, "Yüksek verimli, daha kalın güneş pili filmlerinin gerçekleştirilmesi, yüksek performanslı tandem hücreler için gerekli olan küçük dokulu silikon plaka piramitlerinin kaplanmasına olanak tanır." Daha kalın perovskit filmlere yönelik önceki girişimler, mikron ölçeklerinde bozulmuş doldurma faktörleri ve voltajlara maruz kalma eğilimindeydi. Ancak araştırmacıların benzersiz yük taşıma çift katmanları bu düşüşleri engelliyor. Böylece perovskitleri yüksek verimli silikon bazlı tandemlere entegre etmenin bir yolunu gösteriyoruz.
Peki kalınlık neden verimliliği engelledi? Kısacası, daha kalın filmler, kümülatif olarak performansı zayıflatan küçük üretim kusurlarını daha da kötüleştirir. Kusur yoğunlukları artar, arayüzler pürüzlenir, gerilimler düşer. Bu iç içe geçmiş mekanizmaları birbirinden ayırmanın son derece zor olduğu kanıtlandı.
Kirchartz'ın ekibinin temel görüşü, taşıma katmanlarının kendilerinin içsel sınırlar getirdiğini fark etmekti. Geleneksel mantıkta tutulan yük toplama esas olarak soğurucu özelliklerine bağlıydı. Bununla birlikte, taşıma katmanlarını yeterli iletkenlik ve optimal bant hizalamalarıyla donatmak, kalınlık kısıtlamalarını tamamen gevşetir. Böylece tek bir hamlede çok sayıda kayıp yolunun üstesinden gelinir.
Bu keşif, araştırmacıları perovskit çekirdeğin etrafında tamamlayıcı avantajlara sahip iki özel organik filmi sandviçlemeye yöneltti. Alttaki kendiliğinden birleşen tek katmanlı (SAM) film, üstün iletkenlik ve delik taşıma yeteneklerine sahiptir. Bu arada üst poli[bis(4-fenil)]amin (PTAA) filmi, perovskite yakın kafes uyumu ve bant hizalaması sunar. Uyumlu SAM çeşitlerinin harmanlanması, arayüz özelliklerinin daha da hassas bir şekilde ayarlanmasını sağlar.
Titiz karakterizasyonlar, taşıma çift katmanlarının dirençli kayıpları azalttığını, yük çıkarımını kolaylaştırdığını ve tekli SAM veya PTAA filmlerine göre rekombinasyonu engellediğini ortaya çıkardı. Böylece 80 mikronun üzerinde kalınlıkta sırasıyla %1.2 ve 1V'a yaklaşan olağanüstü doldurma faktörleri ve voltajlar mümkün olur. En yüksek verimliliğin bu kadar dikkate değer bir şekilde korunması, perovskitlerin tüm ticari potansiyellerini ortaya çıkarmalarına yardımcı olabilir.
Yüksek performanslı kalın film perovskit güneş pillerinin daha geniş etkileri vurgulamayı hak ediyor. Mikron ölçekleri, silikon için optimize edilmiş mevcut üretim araçlarıyla iyi uyum sağlar. Böylece mevcut altyapılarla entegrasyonu kolaylaştırır. En son perovskitler ile mevcut teknolojiler arasındaki uyumluluğun arttırılması, bunların yaygın şekilde benimsenmesini kolaylaştırabilir.
Ek olarak, kalın perovskit filmler silikon hücre piramitlerinin dokularına daha iyi uyum sağlar. Böylece %45 birleşik verimliliği hedefleyen tandem hücre geometrileri iyileştirilir. Bu nedenle Kirchartz, "tandem uygulamalar için dokulu Si alt hücreler üzerinde verimli, çözeltiyle işlenmiş perovskit üst hücrelerini mümkün kılmak için bir ara adımın, 1 µm'nin üzerindeki kalınlıkta yüksek verimlilikle birleştirilmiş uygun şekilde yüksek bant aralıklarına sahip hücre yapıları tasarlama yeteneği olduğuna" inanıyor.
Ancak kalın film perovskitlerin ticari hazırlığa ulaşmasından önce yapılması gereken işler var. Verimlilik ve performans tutarlılığının iyileştirilmesi gerekirken, uzun vadeli istikrar hâlâ eksiktir. Bununla birlikte, mikron ölçeklerdeki olağanüstü %20 verimlilik dönüm noktası bir dönüm noktasını temsil ediyor. Bu yeni ortaya çıkan fotovoltaik teknolojinin ticari açıdan uygulanabilirliğini kanıtlamak.
Bu buluş, yüksek verimli tandem hücreler için silikon piramitleri kaplamak için gereken kalın perovskit filmleri verimli bir şekilde üretiyor. Böylece uzun süredir devam eden ekonomik, ölçeklenebilir hibrit tandem mimari vaadinin yerine getirilmesine yardımcı olunuyor. Ek olarak, mikron ölçeklerinde güvenilir bir şekilde %20'nin üzerinde verimliliğe ulaşmak, film kalınlığı arttıkça ortalamanın altındaki voltajlar ve doldurma faktörleriyle ilgili endişeleri büyük ölçüde giderir. Böylece ticarileştirme çabalarını kısıtlayan en inatçı verimlilik ve performans ödünleşimlerinden birinin üstesinden gelinir.
Bu ilerlemelere dayanarak, daha fazla optimizasyonun verimlilik sınırlarını başlangıçtaki beklentilerin ötesinde artırma potansiyeli vardır. Düşük maliyetli, üretim dostu perovskit güneş pillerinin uygulanabilirliği artık giderek daha ulaşılabilir görünüyor. Geniş çapta benimsenme ufukta görünüyor, artan ölçeklendirme ve kararlılık iyileştirmeleri bekleniyor. Çalışma devam etse de, mikron kalınlığındaki perovskitler için %20'nin üzerinde olağanüstü verimlilik tutmanın kanıtlanması tarihi bir dönüm noktası oluşturuyor.
a) Temsilci raporlarda ve bu çalışmada FF ile karşılık gelen perovskit film kalınlığı ve bant aralığının karşılaştırılması. b) Me-4PACz'ye dayalı olarak farklı kalınlıklara sahip perovskit güneş pillerinin aydınlatılmış J – V eğrileri, hücre performans parametreleri Tablo S1, Destekleyici Bilgilerde listelenmiştir. c) Farklı dirençler dikkate alınarak Denklem (1)'e göre bant aralığının bir fonksiyonu olarak doldurma faktörü. (© Wiley-VCH Verlag)
Bu araştırma, kalınlığı verimlilik sınırlamalarından ayıran ustaca bir güneş pili mimarisine odaklanıyor. Yazarlar, özel organik filmleri perovskit katmanının etrafına sandviçleyerek, en yüksek performanstan ödün vermeden mikron ölçeğinde kalınlıklar elde edilmesini sağlıyor. Tasarımları, daha ince versiyonlarla karşılaştırıldığında minimum kayıpla 20.2 mikronun üzerindeki kalınlıkta %1 gibi kayda değer bir verimlilik elde ediyor.
Baş yazar Thomas Kirchartz'ın açıkladığı gibi, "Yüksek verimli, daha kalın güneş pili filmlerinin gerçekleştirilmesi, yüksek performanslı tandem hücreler için gerekli olan küçük dokulu silikon plaka piramitlerinin kaplanmasına olanak tanır." Daha kalın perovskit filmlere yönelik önceki girişimler, mikron ölçeklerinde bozulmuş doldurma faktörleri ve voltajlara maruz kalma eğilimindeydi. Ancak araştırmacıların benzersiz yük taşıma çift katmanları bu düşüşleri engelliyor. Böylece perovskitleri yüksek verimli silikon bazlı tandemlere entegre etmenin bir yolunu gösteriyoruz.
Peki kalınlık neden verimliliği engelledi? Kısacası, daha kalın filmler, kümülatif olarak performansı zayıflatan küçük üretim kusurlarını daha da kötüleştirir. Kusur yoğunlukları artar, arayüzler pürüzlenir, gerilimler düşer. Bu iç içe geçmiş mekanizmaları birbirinden ayırmanın son derece zor olduğu kanıtlandı.
Kirchartz'ın ekibinin temel görüşü, taşıma katmanlarının kendilerinin içsel sınırlar getirdiğini fark etmekti. Geleneksel mantıkta tutulan yük toplama esas olarak soğurucu özelliklerine bağlıydı. Bununla birlikte, taşıma katmanlarını yeterli iletkenlik ve optimal bant hizalamalarıyla donatmak, kalınlık kısıtlamalarını tamamen gevşetir. Böylece tek bir hamlede çok sayıda kayıp yolunun üstesinden gelinir.
Bu keşif, araştırmacıları perovskit çekirdeğin etrafında tamamlayıcı avantajlara sahip iki özel organik filmi sandviçlemeye yöneltti. Alttaki kendiliğinden birleşen tek katmanlı (SAM) film, üstün iletkenlik ve delik taşıma yeteneklerine sahiptir. Bu arada üst poli[bis(4-fenil)]amin (PTAA) filmi, perovskite yakın kafes uyumu ve bant hizalaması sunar. Uyumlu SAM çeşitlerinin harmanlanması, arayüz özelliklerinin daha da hassas bir şekilde ayarlanmasını sağlar.
Titiz karakterizasyonlar, taşıma çift katmanlarının dirençli kayıpları azalttığını, yük çıkarımını kolaylaştırdığını ve tekli SAM veya PTAA filmlerine göre rekombinasyonu engellediğini ortaya çıkardı. Böylece 80 mikronun üzerinde kalınlıkta sırasıyla %1.2 ve 1V'a yaklaşan olağanüstü doldurma faktörleri ve voltajlar mümkün olur. En yüksek verimliliğin bu kadar dikkate değer bir şekilde korunması, perovskitlerin tüm ticari potansiyellerini ortaya çıkarmalarına yardımcı olabilir.
Yüksek performanslı kalın film perovskit güneş pillerinin daha geniş etkileri vurgulamayı hak ediyor. Mikron ölçekleri, silikon için optimize edilmiş mevcut üretim araçlarıyla iyi uyum sağlar. Böylece mevcut altyapılarla entegrasyonu kolaylaştırır. En son perovskitler ile mevcut teknolojiler arasındaki uyumluluğun arttırılması, bunların yaygın şekilde benimsenmesini kolaylaştırabilir.
Ek olarak, kalın perovskit filmler silikon hücre piramitlerinin dokularına daha iyi uyum sağlar. Böylece %45 birleşik verimliliği hedefleyen tandem hücre geometrileri iyileştirilir. Bu nedenle Kirchartz, "tandem uygulamalar için dokulu Si alt hücreler üzerinde verimli, çözeltiyle işlenmiş perovskit üst hücrelerini mümkün kılmak için bir ara adımın, 1 µm'nin üzerindeki kalınlıkta yüksek verimlilikle birleştirilmiş uygun şekilde yüksek bant aralıklarına sahip hücre yapıları tasarlama yeteneği olduğuna" inanıyor.
Ancak kalın film perovskitlerin ticari hazırlığa ulaşmasından önce yapılması gereken işler var. Verimlilik ve performans tutarlılığının iyileştirilmesi gerekirken, uzun vadeli istikrar hâlâ eksiktir. Bununla birlikte, mikron ölçeklerdeki olağanüstü %20 verimlilik dönüm noktası bir dönüm noktasını temsil ediyor. Bu yeni ortaya çıkan fotovoltaik teknolojinin ticari açıdan uygulanabilirliğini kanıtlamak.
Bu buluş, yüksek verimli tandem hücreler için silikon piramitleri kaplamak için gereken kalın perovskit filmleri verimli bir şekilde üretiyor. Böylece uzun süredir devam eden ekonomik, ölçeklenebilir hibrit tandem mimari vaadinin yerine getirilmesine yardımcı olunuyor. Ek olarak, mikron ölçeklerinde güvenilir bir şekilde %20'nin üzerinde verimliliğe ulaşmak, film kalınlığı arttıkça ortalamanın altındaki voltajlar ve doldurma faktörleriyle ilgili endişeleri büyük ölçüde giderir. Böylece ticarileştirme çabalarını kısıtlayan en inatçı verimlilik ve performans ödünleşimlerinden birinin üstesinden gelinir.
Bu ilerlemelere dayanarak, daha fazla optimizasyonun verimlilik sınırlarını başlangıçtaki beklentilerin ötesinde artırma potansiyeli vardır. Düşük maliyetli, üretim dostu perovskit güneş pillerinin uygulanabilirliği artık giderek daha ulaşılabilir görünüyor. Geniş çapta benimsenme ufukta görünüyor, artan ölçeklendirme ve kararlılık iyileştirmeleri bekleniyor. Çalışma devam etse de, mikron kalınlığındaki perovskitler için %20'nin üzerinde olağanüstü verimlilik tutmanın kanıtlanması tarihi bir dönüm noktası oluşturuyor.
– Michael, Royal Society of Chemistry tarafından yazılan üç kitabın yazarıdır:
Nano-Toplum: Teknolojinin Sınırlarını Zorlamak,
Nanoteknoloji: Gelecek Küçük, ve
Nano-mühendislik: Teknolojiyi Görünmez Yapan Beceri ve Araçlar
Telif Hakkı ©
Nanowerk LLC
Spotlight konuk yazarı olun! Geniş ve büyüyen grubumuza katılın konuk katkıda bulunanlar. Nanoteknoloji topluluğuyla paylaşmak için bilimsel bir makale yayınladınız mı veya başka heyecan verici gelişmeleriniz mi var? Nanowerk.com'da nasıl yayınlayacağınız burada.
- SEO Destekli İçerik ve Halkla İlişkiler Dağıtımı. Bugün Gücünüzü Artırın.
- PlatoData.Network Dikey Üretken Yapay Zeka. Kendine güç ver. Buradan Erişin.
- PlatoAiStream. Web3 Zekası. Bilgi Genişletildi. Buradan Erişin.
- PlatoESG. karbon, temiz teknoloji, Enerji, Çevre, Güneş, Atık Yönetimi. Buradan Erişin.
- PlatoSağlık. Biyoteknoloji ve Klinik Araştırmalar Zekası. Buradan Erişin.
- Kaynak: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64319.php
