والخلايا perovskitiche هي نوع معين من الخلايا الضوئية التي تستخدم كمواد ماصة مع مادة perovskitca هيكل ، أو التي لديها نفس النوع من الخلايا البلورية Catió 3. على هذه الخلايا ، بدءا من عام 2009 ، تركز النشاط البحثي المكثف ، وذلك بفضل الكفاءة العالية المحتملة ، وانخفاض تكلفة الإنتاج وسهولة المعالجة ، والخصائص التي تجعلها جذابة للغاية من وجهة نظر صناعية.
في سنوات قليلة حققت نتائج أفضل من الخلايا العضوية والمواد الهجينة ، وتحقيق أقصى عائد ، الذي تم التوصل إليه في عام 2017 ، من 22.7 ٪. هذه البيانات بالضبط تجعل من خلايا بيروفسكايت تكنولوجيا الطاقة الشمسية التي شهدت أكبر تطور في السنوات الأخيرة.
ومع ذلك ، فإن الانتقال إلى الإنتاج الضخم لم يكن ممكنًا بعد لأن الخلايا الشمسية perovskitic تمثل مشاكل تدهور ، حتى إنها تفقد 80٪ من الكفاءة الأولية في أول 500 ساعة من الاستخدام. إلى جانب ذلك ، هناك مشاكل أخرى مثل وجود الرصاص وصعوبة تشكيل طبقات واسعة للغاية.
التاريخ
يعود الاستخدام الأول لمواد البنية perovskitic في الخلايا الضوئية إلى عام 2009 ، عندما كان Miyasaka et al. أدمجت في خلية Grätzel هجين perovskite على أساس هاليدات معدنية العضوية ، وذلك باستخدام صبغة على طبقة مسامية من TiO2. مع هذه الخلية ، تم تحقيق غلة (كفاءة تحويل الطاقة أو PCE) بنسبة 3.8 ٪. ومع ذلك ، وبسبب محلول الأكسدة الموجود في الخلية ، ظل الطلاء perovskitic مستقرا لبضع دقائق فقط وفي النهاية تدهور.
بعد فترة من الجمود في البحث ، بارك وآخرون. في عام 2011 قاموا بتحسين هذه التقنية للحصول على 6.5٪ PCE لكنه بقي المقال الوحيد المنشور حول هذا الموضوع في ذلك العام. بعد عام واحد فقط ، بنى هنري جيمس سنيث ومايك لي خلية استبدلت محلول الأكسدة الموجود في الهندسة المعمارية السابقة ، مع طبقة صلبة من بوليمر سبيرو أوميدات الذي كان بمثابة موصل للثقوب (HTM) من خلال الوصول إلى PCE 10٪
وفي وقت لاحق ، في عام 2013 ، تطورت التكنولوجيات القائمة على الميسوبوروسيد والأكسيد بشكل كبير ، وتعمل على طرق ترسيب مختلفة وتحقق كفاءات بنسبة 12-15٪.
في ديسمبر 2015 ، وصل سجل الكفاءة إلى 21٪ ليصل إلى 22.7٪ في عام 2017.
خصائص perovskites الأكثر استخداما
بيروفسكايت الحقيقي هو معدن وجد لأول مرة في عام 1839 على جبال الأورال ، التي تتكون من أكسيد الكالسيوم والتيتانيوم – CaTiO 3 التي أخذت اسمها من عالم المعادن الروسي ليف بيروفسكي. أصبح هذا الاسم فيما بعد مرادفاً لكل تلك المركبات التي لها نفس البنية البلورية للمعادن: ABX 3where A هي كاتيون ذري أو جزيئي في مركز مكعب ، B هي كاتيونات موضوعة في أعلى المكعب وذرات أصغر X مشحونة سلبيا على وجوه المكعب والتي تؤلف هياكل ثماني السطوح في B على كل قمة رأس المكعب. اعتمادا على نوع الذرات أو الجزيئات المختارة ، من الممكن الحصول على مواد ذات خصائص غريبة ومثيرة للاهتمام ، مثل الموصلية الفائقة والإضاءة الضوئية التي تسمح باستخدامها في العديد من المجالات.
في حالة الخلايا الشمسية perovskite تم الحصول على النتائج الأكثر بروزا وشيقة مع الهياكل العضوية غير العضوية المختلطة التي: A هي كاتيون عضوي من ميثيل الأمونيوم ، B هو كاتيون غير عضوي عموما الرصاص (+2) ، القصدير أو الجرمانيوم ، بينما X هو أنيون هاليد (كلوريد ، يوديد ، بروميد).
عامل التسامح هو محدد في بنية البيروفسكايت ويعتمد على أشعة الأنواع الذرية / الجزيئية. يتم إعطاء الصيغة من خلال:
حيث r ، r b و r X هما شعاع الأيونات المعنية. للحصول على هيكل مكعب مثالي ، مع التماثل الأقصى ، يجب أن تكون قيمة τ قريبة جدًا من 1 ؛ لكي يتم احترام ذلك ، يجب أن يكون أيون A أكبر من أيون B.
وحيث أنه في البيروفسكايت المستندة إلى الهاليدات المستخدمة في الخلايا الشمسية ، عادةً ما يشغل موقع B بواسطة Pb أو Sn التي هي بالفعل ذرات كبيرة جدًا ، تم العثور على جزيء أكبر لضمان استقرار البنية البلورية المكعبة ، مثل ميثيل الأمونيوم . بوجود قيمة t تتراوح بين 0،89 و 1 ، توجد بنية مكعبية بينما تؤدي القيم الدنيا إلى بنية رباعي أو بنية ortorombic أقل تناسقًا. قيم t النموذجية لل perovskites مع halides بين 0.81 و 1.11. في هذه البنى يكون عامل الاوكتاهدرا m = r B / r X بين 0.44 و 0.90.
إن المركب perovskitic الأكثر درسًا الذي سمح بالحصول على أفضل النتائج هو ثلاثي هاليد الرصاص وميثيل الأمونيوم ، يشار إليها أيضًا بـ MAPbX 3 ) ، والتي تتميز بفجوة نطاق مثالية بين 1.5 و 2.3 فولت ، قادرة على توفير قيم عالية لكفاءة الطاقة. أدت سمية الرصاص إلى دراسة perovskites على أساس أيونات أخرى مثل Tin (CH 3 NH 3 SnI 3 ) التي لديها فجوة نطاق محتملة تبلغ 1.3 eV ولكن لها قيم كفاءة أقل بسبب تباين البنية الإلكترونية بسبب أكسدة أيون القصدير من Sn +2 إلى Sn +4 . في نفس الوقت ، تمت دراسة البيروفسكايت حيث تم استبدال الكاتيون العضوي ، أمونيوم الميثيل ، مع الفورميدينيد الأكبر لزيادة ثباته. كما تجري دراسة المركبات التي لها وجود مشترك لأنواع مختلفة من الأنيون مثل بروميد أو يوديد ، وقد أبرزت الخصائص والإمكانيات الجيدة للتطبيقات.
آلية التشغيل
كخلايا ضوئية ، يؤدي تشغيل خلايا بيروفسكايت بشكل أساسي إلى تحويل مباشر من طاقة الإشعاع الشمسي إلى طاقة كهربائية. بما أن هناك حاليًا تطوير خلايا بيروفسكايت ذات بنى مختلفة ، وما زال هناك جدل حول بعض جوانب الآلية التي تعمل بها ، سنركز على هذا القسم في تحديد الجوانب العامة لعمله فقط.
على وجه الخصوص ، في الشكل يمكننا أن نرى منحنى خاصية الجهد الحالي لخلية perovskitic على أساس ، جنبا إلى جنب مع بعض الأرقام من الجدارة التي تمثل جيدا القيم النموذجية لهذا النوع من الخلايا .
يمكن تقسيم توليد التيار الكهربائي من الإشعاع الكهرومغناطيسي داخل أي نوع من الخلايا الضوئية إلى ثلاث خطوات: امتصاص الفوتون ، وفصل الشحنات ونقلها. أدناه سنصف خصائص كل من الخطوات الثلاث لحالة معينة من الخلايا بيروفسكايت.
استيعاب
في مادة أشباه الموصلات والمواد العازلة ، التي تمثل فجوة نطاق عند مستوى فيرمي ، يمكن امتصاص فوتون وارد ذي طاقة أعلى من فجوة النطاق ، ومثيرة إلكترون من شريط التكافؤ (مدارات HOMO للأنظمة ذات المستوى المنفصل) إلى ذلك ، والتوصيل (مدارات LUMO لأنظمة المستوى المنفصل). وتساهم هذه الإلكترونات ، إلى جانب الفجوات الإلكترونية المتبقية في نطاق التكافؤ ، في التيار الكهربائي المتولد في الخلايا الضوئية (تأثير ضوئي).
المسند المهم الأول المتعلق بـ perovskites ، والذي يميزها عن وحدات السيليكون التقليدية ، هو وجود فجوة عصابة مباشرة (على الأقل بالنسبة لـ MAPbI3 الأكثر استخدامًا) والتي تضمن معاملات امتصاص عالية وبالتالي إمكانية الحصول على أداء جيد للامتصاص بالفعل مع طبقات رقيقة من المواد (عادة بضع مئات من نانومتر مقارنة بمئات ميكرومتر للسليكون التقليدي) .
الآن ، وبالنظر إلى الطيف الشمسي ، يتبين أنه بالنسبة للخلايا التي تحتوي على مادة ماصة واحدة ، يكون اتساع فجوة النطاق مثاليًا لزيادة الطاقة الناتجة (في الحقيقة كمية الترددات القابلة للامتصاص ، وبالتالي فإن التيار متناسب عكسًا مع اتساع فجوة النطاق ، في حين أن أقصى جهد يمكن الحصول عليه عند خرج الخلية يتناسب مع سعة فجوة الحزمة). يتم حساب هذه السعة المثالية في 1.4 فولت تقريبًا ، وهي قيمة قريبة جدًا من 1.55 فولت من أكثر البيروفسكايت استخدامًا: . على وجه الخصوص ، بالنسبة إلى الأخير ، فإن حد Shockley-Queisser يمثل حوالي 31٪ من الكفاءة لـ AM1.5 و 1000W / ظروف الطاقة المشععة .
فيما يتعلق بهذا الجانب ، فإن قوة أخرى من perovskites ، مثيرة للاهتمام أيضًا للخلايا الترادفية ، هي إمكانية تغيير طاقة فجوة النطاق من خلال تغيير العناصر المستخدمة في الهيكل أو باستخدام حلول صلبة من مواد مختلفة perovskitic ، وكذلك عن طريق تغيير المعلمات مثل الضغط ودرجة الحرارة .
فصل الرسوم
يمكن أن تولد الإثارة ، بواسطة فوتون ، للإلكترون في نطاق التوصيل ، حسب الحالة: شحنتان مستقلتان (إلكترون في نطاق التوصيل وفجوة في نطاق التكافؤ) ، أو إثيتون ، أو إلكترون مرتبط نظام ثقب. الحالة الأولى ، النموذجية للسيليكون ، هي الحالة الأكثر كفاءة ، حيث أنها تنتج رسومًا مجانية تقريبًا ، وهي نفسها الموجودة في خلايا البيروفسكايت. في الواقع ، فإن المواد perovskitic الأكثر استخداما لها في الواقع طاقات ملزمة لأنظمة ثقب إلكترون صغيرة جدا ، من أجل على الأكثر 50 فولت. وبالتالي ، فإن هذه الأنظمة ذات الثقب الإلكتروني تقترب تقريباً من الحرية عند درجة حرارة الغرفة (حتى إذا زادت طاقة الترابط مع تناقص البعدية لممتص perovskitic ، فإن هذا لم يمنع نمو الخلايا ذات البيروفسكايت ذات الحجم المنخفض).
نقل الرسوم
كآلية للنقل ، تم اقتراح نموذج يلعب فيه البيروفسكايت دور الطبقة الجوهرية في تقاطع الدبابيس ، بينما تغطي طبقات HTM و ETM (انظر بنية الخلية) على التوالي دور أشباه الموصلات p و n (توفر نماذج بديلة ، على سبيل المثال ، تقاطع ppn). وعلى نحو مماثل لما يحدث في خلية السليكون التقليدية ، يتم فصل هذه الشحنات نهائياً وجذبها نحو الأقطاب الكهربائية الخاصة بها عن طريق الحقول الكهربائية المدمجة الموجودة في الوصلة ، وبالتالي تشكل التيار المكوّن.
يتم تسهيل هذه العملية من خلال الخصائص الممتازة للموصلات المتناقضة من البيروفسكايت ، والتي لها قيم عالية للمشي الحر المجاني لكل من الإلكترونات والثقوب (تشير القيم في الأدبيات إلى 100 نانومتر على الأقل ، وفوق μm لـ ) ، مما يسمح باستخدام في الخلايا سمك بيروفسكايت حتى من بضع مئات من نانومتر بدون إعادة التركيب الكبيرة لحاملات الشحنة ، مع ما يترتب على ذلك من امتصاص أفضل للإشعاع الشمسي.
لمزيد من الدعم للخصائص الموصلة الممتازة للبيروفسكايت ، تم إجراء حسابات DFT التي أظهرت ، بالنسبة للمواد الأكثر استخدامًا ، ، كتل منخفضة فعالة نسبيا لشركات الشحن على حد سواء ( و ، أين هي هي كتلة الراحة للإلكترون) .
على هذا الأساس يمكننا بالتالي كتابة معادلات ديناميكيات الإلكترونات والثغرات في الظروف الثابتة داخل التقاطع:
حيث n (p) هو تركيز الإلكترونات (الثقوب) ، D و μ هي معاملات الانتشار والتنقل ، G و R معاملات التكون والإجهاد المعتمدان التي تعتمد على الموضع. وأخيرًا ، E هي الحقل الكهربائي ، والذي يعتمد أيضًا على الموضع.
يتم تعيين التقريبيات النموذجية R (x) = 0 (صالحة لطبقات الامتصاص الرقيقة فيما يتعلق بمتوسط رسوم الشحن) ، الحقل الكهربائي المثالي (الموحد) لوصلات طرف: ، أين هي هو الفرق المحتمل المدمج في و سمك المنطقة ط. يمكن وضعها أخيرا وفقا لقانون لامبرت البيرة. من هذه التقديرات يمكننا التوصل إلى حلول تحليلية لخصائص الجهد الحالية للخلايا ، والحلول التي ، على الرغم من أنها معقدة نوعًا ما ، تعكس الاتجاه الحقيقي لهذه المنحنيات .
بنية الخلية
بنية الخلايا المستندة إلى مادة شبه موصلة عضوية غير عضوية ، والتي تحتوي على بنية متعددة البلورات من البيروفسكايت (في الغالب ) ، يمكن تقسيمها بشكل أساسي إلى فئتين: تلك التي لها بنية قائمة على طبقة مسامية من أكسيد معدني (عادة TiO 2 ) وتلك التي لها heterojunctions مستوية.
الخلايا Perovskitic على أساس هيكل أكسيد المعادن mesoporous
في أول عمل من Miyasaka وآخرون. أبلغ عن استخدام الأول من perovkitite الهجين ، ولا سيما من ، كصبغة في خلية Grätzel مع الطور السائل ، ليصل إلى كفاءة التحويل (PCE) من 3.81 ٪ مع تغطية كاملة تقريبا من الطيف المرئي. عادة ، تتكون هذه البنية من هيكل ساندويتش ، مع إلكتروليت سائل (بشكل رئيسي زوج الأكسدة I – / I 3 -) بين قطب مضاد في Pt وأنود يتكون من طبقة mesoporous من TiO 2 حساسة مع الصبغة التي تحتوي على دور امتصاص الإشعاع الشمسي.
بعد ذلك بقليل ، بارك وآخرون. تصنيع نفس النوع من الخلايا ، مع اختلاف أنها استخدمت النقاط الكمومية (QDs) perovskitici من 2-3 نانومتر على طبقة mesoporous من حوالي 3.6 ميكرومتر من TiO 2 ، ونجحت في تحقيق PCE إلى 6.54 ٪ ولكن تسليط الضوء على مشكلة هذا نوع من الهندسة المعمارية: وجود المنحل بالكهرباء تدريجيا حل perovskite مما يؤدي إلى انخفاض سريع في الكفاءة.
لهذا السبب ، Grätzel و Park et al. غيرت تماما بنية الخلية ، والانتقال إلى بنية الخلية Grätzel الصلبة الحالة. في هذا التكوين ، داخل مسام TiO 2 وأعلى الطبقة المتوسطة وطبقة perovskitic ، تمت إضافة مادة لالتقاط ونقل الثقوب الناتجة (مادة نقل هول ، HTM) ، وهو بوليمر يدعى spiro-MeOTAD ، والذي جلب PCE للوصول إلى قيم قريبة من 9.7٪. ثم تم الحصول على أعلى قيم PCE ، مرة أخرى في نفس التكوين ، لتحل محل Spiro-Meotad مع المركبات العضوية الأخرى مثل PTAA (poly-triarylamine) أو مشتقات البيرين ، ليصل إلى PCE من 15 ٪.
هذه البُنى الموضحة حتى الآن ، هي جزء من الخلايا الشمسية المزعومة مع طبقة مسامية “نشطة” ، بمعنى أن طبقة الأكسدة mesoporous تشارك بنشاط في فصل زوج الإلكترون-القمر.
أيضا في نفس الفترة ، لي وآخرون. استخدم Al 2 O 3 بدلاً من TiO 2 مع perovskite مختلطة مختلطة يقترن دائما مع طبقة من spiro-meotad تصل إلى PCE 10.9٪ والحصول على ما يسمى بالخلايا الشمسية ذات الهيكل المتوسط (MSSCs). يتم تصنيف هذه الخلايا دائمًا على أنها خلايا شمسية ذات طبقة مسامية ، ولكن هذه المرة تسمى الطبقة “سلبية” بمعنى أنها لا تعمل إلا كدعم للبيروفسكايت ، وهو في هذه الحالة لا يخدم فقط كصبغة ولكن أيضًا كجهاز ناقل من الرسوم التي تم إنشاؤها. وقد أدى هذا الاكتشاف في وقت قصير جداً إلى إدراك القدرة على الحصول على الخلايا التي لا تحتوي على بنية مسامية ، بل على العكس ، تتألف من فيلم perovskite ، والحصول على خلايا غير متجانسة (الخلايا المستوية غير المتجانسة PHJ).
الخلايا Perovskitic على أساس etirojunctions مستو
تم إجراء المحاولة الأولى من خلال عمل Lee et al الذي حصل مع ذلك على PCE منخفض جدًا بنسبة 1.8٪ بسبب التجانس الصعب للطبقة المودعة. فقط في وقت لاحق ، تمكنوا دائما من الوصول إلى قيم 11.4 ٪ فقط من خلال تحسين تشكيل الطبقة. وتنقسم الخلايا الشمسية PHJ إلى فئتين وفقا لتغليف الطبقات وهي بنية الورك وتركيب الدبوس “المقلوب”.
بنية الورك
عادة ، تتكون بنية هذا النوع من الخلايا من طبقة متواصلة من البيروفسكايت تتلامس مباشرة مع طبقة مضغوطة من TiO 2 وطبقة HTM.في التركيبات التقليدية (nip) ، في معظم الحالات ، يتم توارث بنية الخلايا التي لها طبقة مسامية نشطة: بشكل أساسي ، يتم ترسيب طبقة من النمط n المستخدمة في وظيفة نقل الإلكترون (مواد نقل الإلكترون ETM) على طبقة سفلية شفافة. وموصلة تعمل كقطب كهربائي. يتم وضع الطبقة perovskite ، طبقة لنقل الثقوب (HTM) وأخيرًا العداد الكهربائي فوق الطبقة من النوع n. المواد الأكثر استخدامًا مثل ETM هي أكسيد التيتانيوم (المستخدم بشكل أساسي) ، أو أكسيد الزنك ، أو الجسيمات النانوية II-VI (مثل CdSe) ؛ بينما بين HTM نجد سبيرو-موتر الشهير مع جزيئات عضوية أخرى مثل P3HT أو من مشتقات hydrophobic من oligothiophene (DR3TBDTT).
هيكل دبوس
وتسمى أيضًا تراكيب الدبوس “معكوسًا” نظرًا لأن ترتيبها قد تم عكسه مقارنةً مع القُمم ، وتم تطويره لأول مرة من قِبل Guo et al في عام 2013. استخدم الطرف الأول perovskite بين بوليمر مع p-type doping. (PEDOT: PSS) ومشتق من الفوليرين مع n-type doping (PC 61 BM) فقط أنه في هذه الحالة يمر الضوء أولاً عبر طبقة p-doped بدلاً من ما حدث سابقاً. 5 على الرغم من أن PCE لهذه الخلية الأولى كانت أصغر من تلك الخلية المتوسطة ، كان هذا العمل ذو أهمية كبيرة لأنه كان أول خلية يتم بناؤها عند درجة حرارة أقل من 150 درجة مئوية. بدءًا من ذلك ، تم تطوير العديد من البنى المختلفة التي جلبت PCE إلى مستويات أعلى بكثير وفي الوقت الحاضر ، هذا النوع من الخلايا هو الأكثر وعدًا.
وحيث أن perovskite يمكن أن يعمل نفسه كمؤشر HTM ، فقد تم تطوير العمارة أيضًا بدون أي HTM من Etgar ، والذي حقق 8٪ PCE.
عمليات الترسيب
هناك عدة طرق لصنع perovskites. من بين هذه ، تلك المستخدمة بشكل رئيسي هي:
– طلاء مغزلي من محلول كيميائي واحد أو خطوتين
– عملية متسلسلة
– ترسب مرحل بخار ذو مصدر مزدوج
– ترسيب مساعد بواسطة طور البخار
في العلاج التالية من أساليب تشكيل فيلم perovskitic MAPbI 3 (أي )
طلاء الدوران: فيما يتعلق بطريقة الخطوة الواحدة ، يتم إذابة سلائف pervoskite (PbI و MAI) في مذيب مشترك يكون في معظم الحالات dimethylformamide (DMF) أو Butyloractone. ثم يتم إيداع المحلول الذي يتم الحصول عليه على الركائز عن طريق الدوران.دوران العينة سريع جدا وهذا يسمح لنشر السائل على subrato بفضل قوة الطرد المركزي. خلال العملية ، يمكن تقويض الفيلم بسبب تبخر المذيبات ، والتي غالباً ما تكون متقلبة جداً. لضمان تشكيل فلم كبير ، هناك حاجة إلى نسبة مئوية من المحلول بنسبة 40٪.
بمجرد أن يتم ترسيب الفيلم ، يتم وضعه داخل السخان (مرحلة التلدين) الذي يكمل تشكيل البيروفسكايت.
تنطوي عملية طلاء السبين على خطوتين بدلاً من ذلك على الترسيب ، في أوقات مختلفة ، للحللين (على سبيل المثال PbI / DMF و MAI / isopropyl alcohol (IPA))
عملية سياليال: نبدأ في البداية بإيداع محلول PbI / DMF (أول سلائف) عن طريق الغزل ؛ في وقت لاحق هو مغمورة الركيزة (الغمس) في محلول ثاني يحتوي على MAI وكحول الآيزوبروبيل (MAI / IPA ، السلائف الثاني). وهذا هو المكان الذي يحدث فيه التفاعل في الموقع مع تشكيل بيروفسكايت. وتنتهي العملية باستخدام جهاز تدفئة ، على عكس الطريقة السابقة ، لغرض وحيد هو القضاء على أي آثار للمذيبات المتبقية.
تسمح هذه الطريقة بتحكم أفضل في الشكل فيما يتعلق بالطلاء المغزلي ، وبالتالي تجنب حدوث تفاوت أكبر في سمك البيروفسكايت الذي يؤدي إلى أسوأ أداء للخلية.
ترسب البخار المزدوج المصدر: إنه حالياً الأسلوب الأكثر تكلفة ولكنه يعد بتطورات مستقبلية ملحوظة. تتضمن العملية إدخال ركيزة لدينا في آلة (يتم الاحتفاظ بها تحت ظروف فراغ عالية) والتي ستشكل أبخرة السلعتين من مصلحتنا (على سبيل المثال PbI 2 و MAI) ثم نطلق عليها ضد الركيزة. بطريقة تجعلهم يتفاعلون ويتفاعلون ويودعون في النهاية. بالمقارنة مع الأساليب السابقة ، هذا هو الأفضل من حيث توحيد التغطية الفيلم على الركيزة.
ترسيب مرحلي بمرحلة البخار: تجمع هذه الطريقة العملية المتعاقبة والترسيب المدعوم في مرحلة البخار. يرسب هاليد الرصاص بواسطة طلاء دوران ثم يتبخر الـ MAI على PbI عند درجة حرارة 150 درجة مئوية لمدة ساعتين على الأقل في جو من النيتروجين لتحويلها كلها إلى perovskite.
كما هو الحال بالنسبة لترسب البخار المزدوج المصدر (وبشكل عام لجميع عمليات ترسيب مرحلة البخار) ، فإن تغطية الفيلم الفائقة هي أكبر من تلك الموجودة في الأفلام التي تتم معالجتها عن طريق الحلول.
مشاكل
إن بساطة تقنية التصنيع ومزيج من الخصائص ذات الصلة ، مثل الفجوة المباشرة ، معاملات الامتصاص العالية ، خاصية نقل شحنات القطبية ، القيم العالية لجهد الدائرة المفتوحة وحركة الشحن ، جعلت المادة مع بنية perovskite تنافسية للغاية مقارنة بأشباه الموصلات التقليدية. على الرغم من ذلك ، لا يزال هناك العديد من العوامل التي يجب تحسينها للسماح بتصنيع الخرسانة: الاستقرار على المدى الطويل ، واختيار مادة بديلة للقيادة ، والتكلفة الزائدة لإكمال الخلية ، مثل اختيار طبقة نقل الثقوب ( مادة النقل حفرة ، HTM ، المواد العضوية عموما) والاتصال الكهربائي لجمع الرسوم (المعادن الثمينة مثل الذهب والفضة).
أحد التحديات الرئيسية للخلايا الشمسية perovskite (PSCs) هو جانب الاستقرار على المدى القصير والطويل. يرتبط عدم استقرار PSCs بشكل أساسي بالتأثير البيئي (الرطوبة والأكسجين) ، والتأثير الحراري (الاستقرار الداخلي) ، والتدفئة تحت الجهد المطبق ، والتأثير الفوتوغرافي (الضوء فوق البنفسجي) وميكانيكا الهشاشة.
عامل مهم في تشغيل أي جهاز هو أنه مستقر في الهواء دون استخدام أي نوع من التغليف. وقارن يانغ وزملاؤه الأجهزة المخزنة في الهواء الجاف وفي جو من النيتروجين وأظهر أن تحلل مادة الآركوس (هاليدوم أوميوميتال) للهواء يحدث ، مما يبرز الحاجة إلى الحماية. في الآونة الأخيرة ، تبين أن تغليف امتصاص بيروفسكيت بمركب نانوتيوب كربوني ومشبك بوليمر خامل يمنع بنجاح التدهور الفوري للمواد المعرضة للهواء الرطب في درجات حرارة مرتفعة. في الواقع ، تجعل الأنابيب النانوية الكربونية الخلية أكثر استقرارًا حتى في ظروف الإشعاع الشمسي الكامل. ومع ذلك ، فإن الدراسات طويلة الأجل وتقنيات التغليف الكاملة للخلايا الشمسية perovskite لم يتم إثباتها بعد.
في حالة الرطوبة ، تم اكتشاف أنه يحتوي على آثار إيجابية وسلبية على الخلايا الشمسية perovskite. تؤدي عملية التصنيع في تشكيل الأفلام وحركة حافة الحبوب تحت ظروف الرطوبة الخاضعة للرقابة إلى تكوين بلوري كبير وتقليل ثقوب الفيلم. هذا إعادة الإعمار الفيلم يسرع التنوي وبلورة مرحلة perovskite. كمية صغيرة من الماء تساعد على إنتاج أفلام بيروفسكايت كثيفة وكثيرة.
ومع ذلك ، تظل الرطوبة واحدة من الأسباب الرئيسية لتدهور Omh-PSC. سيوك وآخرون. نوصي بتصنيع Omh-PSC في جو خاضع للتحكم مع مستوى رطوبة أقل من 1٪.
يمكن للإضاءة فوق البنفسجية أن تقلل من أداء PSC كنتيجة للتعرض أثناء التشغيل على المدى الطويل. في إدراك الأجهزة التي يتم فيها تحسس الطبقة المتوسطة من TiO2 مع امتصاص perovskite ، لوحظ عدم استقرار UV. ويرتبط سبب الانخفاض الملحوظ في أداء الجهاز من هذه الخلايا الشمسية إلى التفاعل بين الثقوب photogenerated داخل TiO2 وجذور الأكسجين على سطح TiO2. يمكن للموصلية الحرارية المنخفضة للغاية التي تم قياسها بـ 0.5 واط / (كم) عند درجة حرارة الغرفة في CH3NH3PbI3 ، منع الانتشار السريع للحرارة المودعة بالضوء وإبقاء الخلية مقاومًا للضغوط الحرارية التي يمكن أن تقلل من مدتها. أثبتت بقايا PbI2 في فيلم perovskite تجريبيا أن يكون لها تأثير سلبي على استقرار الأجهزة على المدى الطويل. ويعتقد أن مشكلة التثبيت يتم حلها عن طريق استبدال طبقة النقل العضوي بطبقة أكسيد معدني ، مما يسمح للخلية بالاحتفاظ بقدرة 90٪ بعد 60 يومًا.
يشهد مجال PSCs تطورًا سريعًا وتركز معظم الجهود البحثية على تصنيع أجهزة ذات كفاءات أفضل. الموضوع الحيوي الذي نركز عليه هو تحسين الاستقرار. لقد تم بالفعل تحقيق نتائج جيدة ، حيث انتقلنا من بضع دقائق إلى آلاف الساعات (2000 ساعة). تلعب معرفة آليات التحلل والهياكل والتحولات الطورية تحت ظروف التشغيل المختلفة دورًا رئيسيًا في التنبؤ بالمواد وسلوك الجهاز.