DOI: https://doi.org/10.1038/s41566-023-01373-z
تاريخ النشر: 2024-01-18
المؤلف: Wenzhan Xu وآخرون
الموضوع الرئيسي: مواد البيروفسكايت وتطبيقاتها
نظرة عامة
لقد حازت خلايا الشمسية المرنة من نوع بيروفسكايت (F-PSCs) على اهتمام كبير بسبب خفتها وطبيعتها القابلة للتكيف. ومع ذلك، فقد تم إعاقة أدائها بسبب ضعف الالتصاق بين طبقة البيروفسكايت والركائز، مما زاد من تفاقم المشكلة بسبب مرونة الركائز. تقدم هذه الدراسة الجزيء العضوي إنتينوسات (ET) في مادة استخراج الثقوب بولي[بيس(4-فينيل)(2,4,6-ثلاثي ميثيل فينيل) أمين] (PTAA) لتحسين الالتصاق عند واجهة البيروفسكايت/الركيزة. يعزز ET التفاعلات مع البيروفسكايت وPTAA وأكسيد القصدير الإنديوم (ITO)، بينما يقلل أيضًا من الفراغات في فيلم البيروفسكايت من خلال تعزيز التبلور الأفضل من خلال تكوين مركبات مع الرصاص.
تظهر النتائج أن خلايا F-PSCs الصغيرة المعكوسة حققت كفاءة ملحوظة بلغت 23.4%. بالإضافة إلى ذلك، حقق نموذج بيروفسكايت مرن بمساحة 9 سم² كفاءة فتحة تبلغ حوالي 19.0%، كما تم اعتمادها من قبل المختبر الوطني للطاقة المتجددة. ومن الجدير بالذكر أن النموذج المرن غير المغلف المحسن حافظ على 84% من كفاءته الأولية بعد 5000 دورة انحناء واحتفظ بـ 90% من كفاءة تحويل الطاقة الأولية (T90) بعد أكثر من 750 ساعة من التعرض للضوء.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث التقدم في خلايا الطاقة الشمسية من نوع بيروفسكايت (PSCs)، مع التركيز بشكل خاص على خلايا الطاقة الشمسية المرنة من نوع بيروفسكايت (F-PSCs). لقد تحسنت كفاءة هذه الخلايا واستقرارها بشكل كبير، حيث حققت خلايا F-PSCs الصغيرة كفاءة تحويل طاقة (PCE) تبلغ حوالي 23% وكفاءات معتمدة تبلغ 24.4% لخلايا التانديم المرنة. ومع ذلك، واجه الانتقال من خلايا F-PSCs الصغيرة إلى الكبيرة تحديات، مما أدى إلى تحقيق كفاءة منطقة نشطة قصوى تبلغ 16.87% فقط لنماذج مرنة، وهو ما يعد أقل بكثير من خلايا PSCs الصلبة.
تساهم عدة عوامل في الصعوبات في تطوير خلايا F-PSCs الفعالة. تشمل هذه العوامل قيود الركائز المرنة مثل بولي إيثيلين تيريفثاليت (PET) وبولي إيثيلين نافثالات (PEN)، والتي تعقد عمليات الطلاء وتتطلب درجات حرارة تلدين أقل تؤثر سلبًا على تبلور الفيلم. بالإضافة إلى ذلك، فإن المشكلات مثل ضعف الالتصاق بين البيروفسكايت والركائز المرنة من أكسيد القصدير الإنديوم (ITO)، والتي تفاقمت بسبب عدم تطابق التمدد الحراري واستخدام مواد نقل الثقوب الكارهة للماء، تعيق الأداء بشكل أكبر. لمعالجة هذه التحديات، تقدم الدراسة الجزيء العضوي إنتينوسات (ET) لتعزيز الالتصاق وتقليل الفراغات عند الواجهات، مما يؤدي إلى تحسين بلورية أفلام البيروفسكايت. أدى إدخال ET إلى تحقيق خلايا F-PSCs لكفاءات PCE تبلغ 23.4% ونماذج بكفاءة معتمدة تبلغ 19.0%، بينما عزز أيضًا المتانة الميكانيكية.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد المستخدمة في طرقهم التجريبية، والتي تعتبر حاسمة لتخليق وتوصيف المركبات المدروسة. تشمل المواد مجموعة متنوعة من الكواشف الكيميائية مثل 2-ميثوكسي إيثانول (2-ME)، يوديد الرصاص (II) (PbI2)، يوديد الفورماميليوم (FAI)، ويوديد الميثيل أمونيوم (MAI)، من بين آخرين، تم الحصول عليها من موردين موثوقين مثل سيغما-ألدريتش وGreatCell Solar. بالإضافة إلى ذلك، يسرد القسم مركبات أخرى مثل هيدروكلوريد بنزيل هيدرازين (BHC)، L-α-فوسفاتيديل كولين (LP)، وبولي(ثلاثي أريل أمين) (PTAA)، مما يشير إلى نهج شامل لاختيار المواد للتجارب.
تشير إضافة المذيبات والمواد المضافة، مثل ثنائي ميثيل سلفوكسيد (DMSO)، الأسيتون، وأستات الإيثيل اللامائي، إلى التركيز على تحسين ظروف التفاعل وتعزيز قابلية ذوبان المركبات المعنية. تؤكد المواصفات الدقيقة للمواد، بما في ذلك مستويات نقائها، التزام المؤلفين بالحفاظ على معايير عالية في إجراءاتهم التجريبية، وهو أمر ضروري لإمكانية تكرار وموثوقية نتائجهم.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تطوير خلايا الطاقة الشمسية المرنة من نوع بيروفسكايت (F-PSCs) مع بنية جهاز من PET/ITO/PTAA/بيروفسكايت/C60/BCP/Cu، باستخدام MA0.7FA0.3PbI3 (MAFAPbI3) كمادة بيروفسكايت. على الرغم من تحقيق كفاءات تحويل طاقة (PCE) تتراوح بين 22.0% إلى 23.8% في خلايا الطاقة الشمسية الصلبة من نوع بيروفسكايت، إلا أن خلايا F-PSCs أظهرت كفاءة PCE قصوى تبلغ 20.7% فقط. وقد تم عزو هذا التباين إلى تكوين الفراغات في أفلام البيروفسكايت على الركائز المرنة، وهو ما تم تأكيده من خلال المجهر الإلكتروني الماسح (SEM). لتعزيز الالتصاق بين البيروفسكايت والركيزة، تم إدخال مادة مضافة عضوية، إنتينوسات (ET)، في مادة نقل الثقوب PTAA. أظهرت التفاعلات بين ET وسلف البيروفسكايت تحسين جودة الفيلم وتقليل الفراغات، مما أدى إلى تبلور أفضل وخصائص ضوئية إلكترونية محسنة.
حققت خلايا F-PSCs المحسنة مع 2.0 wt% ET في PTAA كفاءة PCE تبلغ 21.3%، بينما حققت الأجهزة مع 4 mol% ET في سلف البيروفسكايت كفاءة قصوى تبلغ 22.5%. أدت إضافة ET إلى تحسين ديناميات حامل الشحنة بشكل كبير، كما يتضح من زيادة شدة الفلورية الضوئية (PL) وأطوال عمر PL الأطول، مما يشير إلى تقليل إعادة التركيب غير الإشعاعي. علاوة على ذلك، أظهرت النماذج المرنة المصنوعة من هذه الأفلام المحسنة كفاءة PCE معتمدة تبلغ 19%، مما يمثل تقدمًا كبيرًا في تكنولوجيا البيروفسكايت المرنة. كانت المتانة الميكانيكية للنماذج المعدلة بـ ET أيضًا متفوقة، حيث احتفظت بـ 84% من كفاءتها الأولية بعد 5000 دورة انحناء، مقارنة بـ 70% فقط للأجهزة الضابطة. بشكل عام، تسلط الدراسة الضوء على إمكانيات ET كمادة مضافة حاسمة لتعزيز أداء واستقرار خلايا الطاقة الشمسية المرنة من نوع بيروفسكايت.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41566-023-01373-z
Publication Date: 2024-01-18
Author(s): Wenzhan Xu et al.
Primary Topic: Perovskite Materials and Applications
Overview
Flexible perovskite solar cells (F-PSCs) have garnered significant interest due to their lightweight and adaptable nature. However, their performance has been hindered by poor interfacial adhesion between the perovskite layer and substrates, exacerbated by the flexibility of the substrates. This study introduces the organic molecule Entinostat (ET) into the hole extraction material Poly[bis(4-phenyl)(2,4,6-trimethylphenyl)amine] (PTAA) to improve adhesion at the perovskite/substrate interface. ET enhances interactions with perovskites, PTAA, and indium tin oxide (ITO), while also reducing voids in the perovskite film by promoting better crystallization through adduct formation with lead.
The results demonstrate that the inverted small area F-PSCs achieved a remarkable efficiency of 23.4%. Additionally, a flexible perovskite minimodule with an area of 9 cm² attained an aperture efficiency of approximately 19.0%, as certified by the National Renewable Energy Laboratory. Notably, the optimized unencapsulated flexible minimodule maintained 84% of its initial efficiency after 5000 bending cycles and retained 90% of its initial power conversion efficiency (T90) after over 750 hours of light exposure.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the advancements in perovskite solar cells (PSCs), particularly focusing on flexible perovskite solar cells (F-PSCs). The efficiency and stability of these cells have significantly improved, with small-area F-PSCs achieving a power conversion efficiency (PCE) of approximately 23% and certified efficiencies of 24.4% for flexible tandem cells. However, the transition from small-area to large-area F-PSCs has faced challenges, resulting in a maximum reported active area efficiency of only 16.87% for flexible minimodules, which is notably lower than that of rigid PSCs.
Several factors contribute to the difficulties in developing efficient F-PSCs. These include the limitations of flexible substrates like polyethylene terephthalate (PET) and polyethylene naphthalate (PEN), which complicate the coating processes and require lower annealing temperatures that adversely affect film crystallization. Additionally, issues such as poor adhesion between the perovskite and the flexible indium tin oxide (ITO) substrates, exacerbated by the thermal expansion mismatch and the use of hydrophobic hole transport materials, further hinder performance. To address these challenges, the study introduces the organic molecule Entinostat (ET) to enhance adhesion and reduce voids at the interfaces, resulting in improved crystallinity of the perovskite films. The incorporation of ET led to F-PSCs achieving PCEs of 23.4% and minimodules with a certified efficiency of 19.0%, while also enhancing mechanical durability.
Methods
In this section, the authors detail the materials utilized in their experimental methods, which are critical for the synthesis and characterization of the compounds studied. The materials include various chemical reagents such as 2-Methoxyethanol (2-ME), lead(II) iodide (PbI2), formamidinium iodide (FAI), and methylammonium iodide (MAI), among others, sourced from reputable suppliers like Sigma-Aldrich and GreatCell Solar. Additionally, the section lists other compounds such as benzylhydrazine hydrochloride (BHC), L-α-phosphatidylcholine (LP), and poly(triarylamine) (PTAA), indicating a comprehensive approach to material selection for the experiments.
The inclusion of solvents and additives, such as dimethyl sulfoxide (DMSO), acetone, and anhydrous ethyl acetate, suggests a focus on optimizing the reaction conditions and enhancing the solubility of the compounds involved. The precise specifications of the materials, including their purity levels, underscore the authors’ commitment to maintaining high standards in their experimental procedures, which is essential for the reproducibility and reliability of their findings.
Discussion
In this study, flexible perovskite solar cells (F-PSCs) were developed with a device architecture of PET/ITO/PTAA/perovskite/C60/BCP/Cu, utilizing MA0.7FA0.3PbI3 (MAFAPbI3) as the perovskite material. Despite achieving power conversion efficiencies (PCEs) of 22.0% to 23.8% in rigid perovskite solar cells, the F-PSCs exhibited a maximum PCE of only 20.7%. This discrepancy was attributed to the formation of voids in the perovskite films on flexible substrates, which was confirmed through scanning electron microscopy (SEM). To enhance the adhesion between the perovskite and the substrate, an organic additive, Entinostat (ET), was incorporated into the hole transport material PTAA. The interactions between ET and the perovskite precursor were shown to improve film quality and reduce voids, leading to better crystallization and enhanced optoelectronic properties.
The optimized F-PSCs with 2.0 wt% ET in PTAA achieved a PCE of 21.3%, while devices with 4 mol% ET in the perovskite precursor reached a maximum efficiency of 22.5%. The introduction of ET significantly improved charge carrier dynamics, as evidenced by increased photoluminescence (PL) intensity and longer PL lifetimes, indicating reduced non-radiative recombination. Furthermore, the flexible minimodules fabricated from these optimized films demonstrated a certified PCE of 19%, marking a significant advancement in flexible perovskite technology. The mechanical durability of the ET-modified minimodules was also superior, retaining 84% of their initial efficiency after 5000 bending cycles, compared to only 70% for the control devices. Overall, the study highlights the potential of ET as a crucial additive for enhancing the performance and stability of flexible perovskite solar cells.