Перовскитовые солнечные панели: Перовскитные солнечные батареи: преимущества и недостатки

В США испытали первые перовскитные солнечные элементы, способные работать 30 лет без замены

3DNews Технологии и рынок IT. Новости окружающая среда В США испытали первые перовскитные солне… Самое интересное в обзорах 30.06.2022 [16:28],  Руслан Авдеев Перовскит является крайне перспективным минералом для строительства солнечных панелей. Тем не менее, главной проблемой таких изделий является непродолжительный срок их службы. Исследователи из Принстонского университета США наконец испытали в лабораторных условиях образец, способный проработать без замены до 30 лет в реальных условиях. Источник изображения: Andlinger Center for Energy and the Environment Хотя главным материалом для солнечных панелей десятилетиями являлся кремний, в последние 15 лет перовскит активно отвоёвывает у него позиции. Перовскит так же эффективен, как и кремний, но позволяет создавать менее дорогие, более лёгкие и гибкие панели. Тем не менее перовскиты не очень стабильны и довольно недолговечны при использовании в реальных условиях. В новом исследовании принстонские учёные добавили для стабилизации конструкции специальный промежуточный слой буквально в несколько атомов толщиной между светопоглощающим перовскитным и несущим заряд слоями. Промежуточный слой изготавливается из дисульфида углерода, свинца, йода и хлора и применяется для защиты конструкции от быстрого выгорания. Хотя подобные решения уже предлагались различными командами ранее, новый состав потенциально позволяет сохранить работоспособность солнечных элементов дольше 30 лет — первое решение в своём классе, перешагнувшее порог в 20 лет. Источник изображения: Andlinger Center for Energy and the Environment Впрочем, пока речь идёт только об экспериментах. Исследователи использовали для оценки «живучести» панелей камеру искусственного старения, в которой элементы подвергли воздействию солнечного света и температурам от 35 °C до 110 °C. Экстраполировав полученные данные, команда сделала вывод, что в стандартных климатических условиях новое решение способно проработать 30 лет. По словам учёных, используемая камера искусственного старения позволит проверять устойчивость не только перовскитных, но и любых других солнечных ячеек. Источник: Если вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER. Материалы по теме Постоянный URL: https://3dnews.ru/1069214/v-kamere-iskusstvennogo-stareniya-ispitali-pervie-perovskitnie-solnechnie-elementi-sposobnie-rabotat-poryadka-30-let Рубрики: Новости Hardware, блоки питания, адаптеры, источники питания, интересности из мира хай-тек, на острие науки, окружающая среда, разработка и производство электроники, Теги: солнечная энергия, солнечная ячейка, перовскит, энергетика ← В прошлое В будущее →

Ученые рассказали, как сделать перовскитные солнечные элементы практичнее и дешевле

В большинстве случаев фотоэлектрические элементы – устройства, преобразующие солнечный свет в электричество, – изготавливаются из кремния. Для производства солнечных ячеек, состоящих из кристаллов кремния, требуется много энергии. Как правило, все они являются результатом дорогостоящих многоэтапных технологических процессов. Именно поэтому солнечные панели в настоящее время стоят так дорого.

A person installing solar panels. Gustavo Fring/Pexels 

Однако недавно была найдена альтернатива кремнию, которая способна снизить стоимость и повысить эффективность солнечных элементов. Об этом сообщается в пресс-релизе Федеральной политехнической школа Лозанны на Eurekalert.org. Речь идет о смешанно-галоидных перовскитах – специальных материалах, которые могут служить идеальными кристаллами для солнечных батарей.

Перовскитовые солнечные элементы (PSC) были впервые предложены в 2009 году, и с тех пор ученые пытаются использовать их в производстве солнечных панелей. Однако PSC и смешанно-галоидные кристаллы перовскита очень нестабильны, поэтому даже спустя столько лет после их открытия на рынке по-прежнему доминируют кремниевые солнечные ячейки (SSC).  

Однако, судя по всему, время для перехода от кремния к перовскиту наконец-то настало. Группа исследователей из Швейцарского федерального технологического института Лозанны (EPFL) разработала уникальную методику, позволяющую одновременно повысить стабильность и эффективность перовскитных солнечных батарей.

Проблема смешанно-галоидных перовскитов заключается в том, что они имеют широкий энергетический зазор (разность энергий двух соседних энергетических уровней в материале). В широких зазорах электрическая активность отсутствует. Другими словами, электроны могут переноситься из одной энергетической полосы в другую только в том случае, если зазоры узкие.

 С другой стороны, полупроводниковый материал в солнечных элементах должен иметь более узкие зазоры, чтобы возбужденные солнечным светом электроны могли легко перемещаться к проводящим электродам и вырабатывать электричество. Кроме того, солнечный свет может вызвать сегрегацию галогенидов в смешанном галоген-перовските.

В новом исследовании предпринята попытка преодолеть ограничения металл-галогенидных перовскитовых солнечных элементов, чтобы в дальнейшем мы могли разработать более дешевые солнечные батареи. Stock image of a perovskite solar panel. audioundwerbung/iStock 

 Такая сегрегация еще больше снижает эффективность PSC в процессе эксплуатации. По словам исследователей, тандемные солнечные батареи, (т.е. элементы, содержащие как перовскит, так и кремний), не имеют таких проблем даже при повышенной интенсивности света.

“Одним из препятствий на пути к коммерциализации перовскитовых солнечных элементов является их эксплуатационная стабильность, что ставит их в невыгодное положение в сравнении с фотоэлектрическими технологиями, уже представленными на рынке. Это особенно актуально для смешанно-галоидных перовскитов, которые являются идеальными материалами для тандемных солнечных элементов”, – рассказывают разработчики.

В данном исследовании предлагается эффективный способ преодоления недостатков PSC. Авторы утверждают, что предотвратить сегрегацию галогенидов можно путем обработки PSC двумя алкиламмониевыми модуляторами. Ученые протестировали работу двух PSC, разработанных по новой технологии, в течение 1 200 и 250 часов. Модулирующие компоненты позволили компенсировать потери энергии до такой степени, что общая производительность солнечных элементов заметно возросла.

В результате испытаний энергоэффективность солнечных элементов выросла более чем на 25 и 21 процент соответственно. Более того, ячейка, проработавшая 1200 часов, восстановила 90 процентов своей первоначальной энергоэффективности (у другого элемента этот показатель был равен 80 процентам).

Модуляторы позволили стабилизировать металл-галогенидные перовскитовые солнечные элементы (предотвратив сегрегацию) и сделать их более энергоэффективными. Ученые считают, что в перспективе новая технология позволит сделать перовскитовые элементы более доступными как для небольших, так и для крупномасштабных проектов.

Аннотация к проекту. Перовскитные солнечные элементы (PSC) произвели революцию в области исследований устойчивой энергетики. Однако их ограниченная стабильность до сих пор препятствовала коммерческому использованию. В этом исследовании ученые рассматривают два алкиламмоний-галоидных модулятора, которые синергетически улучшают эффективность преобразования энергии (PCE) и стабильность PSC а также подавляют индуцированную светом сегрегацию галоидной фазы в последних. Согласно полученным данным, показатели PCE составили 24,9% и 21,2%. При этом после 1200 и 250 часов непрерывной работы сохранилось соответственно ∼90% и ∼80% от первоначального PCE.  2D NMR (Двухмерная ядерная магнитно-резонансная спектроскопия см. график) показывает, что модуляторы локализованы на поверхностях и границах зерен. Вычислительные исследования позволили обосновать их более высокий эффект пассивации по сравнению с традиционными материалами. Благодаря решению критической проблемы стабильности, полученные результаты являются важным шагом на пути к крупномасштабному практическому применению перовскитных солнечных элементов.

Результаты этого эксперимента были опубликованы в издании Joule.   

Источники и ссылки: Journal Eurekalert, Swiss Federal Institute of Technology Lausanne (EPFL), Journal interesting Engineering.

рекомендации

1. (https://www.eurekalert.org/news-releases/97521)    
2. (https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(22)00571-2)    
3. (https://interestingengineering.com/science/perovskite-solar-cell-more-stable)
4. (https://www.cei.washington.edu/education/science-of-solar/perovskite-solar-cell/)

Этот материал написан посетителем сайта, и за него начислено вознаграждение.

Перовскитные солнечные элементы | Министерство энергетики

Офис технологий солнечной энергии

Управление технологий солнечной энергии Министерства энергетики США (SETO) поддерживает проекты исследований и разработок, которые повышают эффективность и срок службы гибридных органических и неорганических перовскитных солнечных элементов, ускоряют коммерциализацию перовскитных солнечных технологий и снижают производственные затраты.

Перовскитовый солнечный элемент.

Деннис Шредер / Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии

Что такое перовскитные солнечные элементы?

Галогенидные перовскиты представляют собой семейство материалов, которые продемонстрировали потенциал высокой производительности и низких производственных затрат в солнечных элементах. Название «перовскит» происходит от прозвища их кристаллической структуры, хотя другие типы негалогенидных перовскитов (например, оксиды и нитриды) используются в других энергетических технологиях, таких как топливные элементы и катализаторы.

Солнечные элементы на основе перовскита продемонстрировали значительный прогресс в последние годы с быстрым повышением эффективности: от примерно 3 % в 2009 году до более 25% сегодня. Хотя перовскитные солнечные элементы стали очень эффективными за очень короткое время, остается ряд проблем, прежде чем они смогут стать конкурентоспособной коммерческой технологией.

Направления исследований

Компания SETO определила четыре основные проблемы, которые необходимо решить одновременно, чтобы перовскитные технологии были коммерчески успешными. Каждая задача представляет собой уникальный набор барьеров и требует достижения конкретных технических и коммерческих целей. Офис поддерживает проекты, направленные на решение этих проблем, в рамках нескольких программ финансирования, в том числе SETO FY2021 Small Innovative Projects in Solar (SIPS), SETO 2020 Photovoltaics и SETO FY20 Perovskite программы финансирования, а также Perovskite Startup Prize.

Узнайте больше о взглядах SETO на перовскиты в нашей статье Energy Focus и в нашем запросе информации о целевых показателях.

Стабильность и долговечность

Перовскитные солнечные элементы продемонстрировали конкурентоспособную эффективность преобразования энергии (PCE) с потенциалом для более высокой производительности, но их стабильность ограничена по сравнению с ведущими фотогальваническими (PV) технологиями. Перовскиты могут разлагаться при взаимодействии с влагой и кислородом или при длительном воздействии света, тепла или приложенного напряжения. Чтобы повысить стабильность, исследователи изучают деградацию как самого материала перовскита, так и окружающих слоев устройства. Повышенная долговечность элементов имеет решающее значение для разработки коммерческих перовскитных солнечных продуктов.

Несмотря на значительный прогресс в понимании стабильности и деградации перовскитных солнечных элементов, в настоящее время они не являются коммерчески жизнеспособными из-за их ограниченного срока службы. Коммерческие приложения за пределами энергетического сектора могут допустить более короткий срок службы, но даже это потребует улучшения таких факторов, как стабильность устройства во время хранения. Для массового производства солнечной энергии технологии, которые не могут работать более двух десятилетий, вряд ли будут успешными, независимо от других преимуществ.

Ранние перовскитовые устройства быстро разрушались, становясь нефункциональными в течение нескольких минут или часов. Теперь несколько исследовательских групп продемонстрировали срок службы в несколько месяцев работы. Для коммерческого производства электроэнергии на уровне сети SETO планирует срок службы не менее 20 лет, а предпочтительно более 30 лет.

Сообщество исследователей и разработчиков (НИОКР) перовскитных фотоэлектрических систем в значительной степени сосредоточено на сроке службы и рассматривает несколько подходов для понимания и улучшения стабильности и снижения деградации. Усилия включают улучшенную обработку для снижения реакционной способности поверхности перовскита, альтернативные материалы и составы для перовскитных материалов, альтернативные окружающие слои устройства и электрические контакты, усовершенствованные материалы для герметизации и подходы, которые уменьшают источники деградации во время изготовления и эксплуатации.

Одной из проблем, связанных с оценкой деградации перовскитов, является разработка последовательных методов тестирования и проверки. Исследовательские группы сообщают о результатах производительности, основанных на самых разных условиях испытаний, включая различные подходы к инкапсуляции, состав атмосферы, освещение, электрическое смещение и другие параметры. Несмотря на то, что такие разнообразные условия испытаний могут дать информацию и ценные данные, отсутствие стандартизации затрудняет прямое сравнение результатов и затрудняет прогнозирование эксплуатационных характеристик по результатам испытаний.

Эффективность преобразования энергии в масштабе

В лабораторных устройствах небольшой площади перовскитные фотоэлементы превзошли почти все тонкопленочные технологии (за исключением технологий III-V) по эффективности преобразования энергии, демонстрируя быстрые улучшения за последние пять лет. Однако высокоэффективные устройства не обязательно были стабильными или их можно было производить в больших масштабах. Для широкого применения перовскитов будет необходимо поддерживать такую ​​высокую эффективность при достижении стабильности в модулях большой площади. Постоянное повышение эффективности модулей средней площади может быть полезным для мобильных устройств, аварийно-спасательных служб или рынков оперативной энергии, где критически важны легкие и мощные устройства.

Рекорды эффективности перовскитных фотоэлементов по сравнению с другими фотоэлектрическими технологиями, с текущими рекордами 25,7% для перовскитных устройств с одним переходом и 29,8% для тандемных перовскит-кремниевых устройств (по состоянию на 26 января 2022 г.).

Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии

Перовскиты можно настроить так, чтобы они реагировали на различные цвета в солнечном спектре, путем изменения состава материала, и различные составы продемонстрировали высокую эффективность. Эта гибкость позволяет комбинировать перовскиты с другим, по-разному настроенным поглощающим материалом, чтобы обеспечить большую мощность от одного и того же устройства. Это известно как архитектура тандемного устройства. Использование нескольких фотоэлектрических материалов позволяет тандемным устройствам иметь потенциальную эффективность преобразования энергии более 33%, что является теоретическим пределом для фотоэлемента с одним переходом. Перовскитные материалы могут быть настроены так, чтобы использовать части солнечного спектра, которые кремниевые фотоэлектрические материалы не могут использовать очень эффективно, а это означает, что они являются отличными партнерами по гибридному тандему. Также можно объединить два перовскитных солнечных элемента разного состава для получения тандема перовскит-перовскит. Перовскит-перовскитные тандемы могут быть особенно конкурентоспособными в мобильных, аварийных и оборонных секторах, поскольку они могут быть превращены в гибкие, легкие устройства с высоким отношением мощности к весу.

Технологичность

Для обеспечения коммерческого производства перовскитных солнечных элементов требуется расширение производства перовскита. Обеспечение масштабируемости и воспроизводимости процессов может увеличить производство и позволить перовскитным фотоэлектрическим модулям соответствовать или превысить цели SETO по приведенной стоимости электроэнергии для фотоэлектрических систем.

Перовскитные солнечные элементы представляют собой тонкопленочные устройства, состоящие из слоев материалов, либо напечатанных, либо покрытых жидкими чернилами, либо нанесенных методом вакуумного осаждения. Производство однородного высокопроизводительного перовскитного материала в условиях крупномасштабного производства затруднено, и существует существенная разница в эффективности ячеек малой площади и эффективности модулей большой площади.

Будущее производства перовскита будет зависеть от решения этой проблемы, которая остается активной областью работы в исследовательском сообществе PV.

Многие из этих методов, используемых для производства перовскитовых устройств в лабораторных масштабах, нелегко масштабировать, но прилагаются значительные усилия для применения масштабируемых подходов к производству перовскита. Для тонкопленочных технологий их можно разделить на два основных типа производства:

• Лист за листом: Слои устройства наносятся на жесткое основание, которое обычно действует как передняя поверхность готового солнечного модуля. Этот подход обычно используется в производстве тонких пленок из теллурида кадмия (CdTe).
• Roll-to-Roll:  Слои устройства наносятся на гибкую основу, которую затем можно использовать как внутреннюю или внешнюю часть готового модуля. Исследователи опробовали этот подход для других фотоэлектрических технологий, но рулонная обработка не получила коммерческого распространения из-за ограничений производительности этих технологий.
  Однако он широко используется для производства фотографических и химических пленок и бумажных изделий, таких как газеты.

Если перовскиты могут быть надежно изготовлены с использованием этих масштабируемых подходов к производству, у них есть потенциал для более быстрого увеличения мощности, чем у кремниевых фотоэлектрических. Оба эти процесса хорошо зарекомендовали себя в других отраслях, поэтому существующие знания и цепочки поставок можно использовать для дальнейшего снижения затрат и рисков масштабирования.

Дополнительными препятствиями для коммерциализации являются потенциальное воздействие перовскитовых материалов на окружающую среду, которые в основном основаны на свинце. Таким образом, альтернативные материалы изучаются для оценки, снижения, смягчения и потенциального устранения токсичности и экологических проблем.

Валидация технологии и рентабельность

Валидация, проверка эффективности и кредитоспособность — обеспечение готовности финансовых учреждений финансировать проект или предложение по разумным процентным ставкам — необходимы для коммерциализации перовскитных технологий. Изменчивость протоколов тестирования и отсутствие достаточных полевых данных ограничили возможность сравнения производительности перовскитных устройств и уверенность в долгосрочном рабочем поведении.

Текущие протоколы тестирования солнечных фотоэлектрических устройств были разработаны для существующих основных фотоэлектрических технологий. Они включают в себя тестирование в помещении с использованием протоколов, которые также могут точно предсказать производительность кремниевых и CdTe солнечных элементов на открытом воздухе, которые разлагаются совсем иначе, чем перовскитные технологии. Объективная, надежная проверка с использованием протоколов испытаний, которые могут надлежащим образом отображать реальные виды отказов, имеет решающее значение для повышения доверия к перовскитным технологиям, что необходимо для обеспечения инвестиций в масштабирование и развертывание производства. Быстро меняющиеся составы материалов и устройств перовскитных солнечных элементов делают эту стандартизированную проверку особенно сложной и важной.

SETO финансирует Перовскитовый фотогальванический ускоритель для коммерциализации технологий (PACT) Центр проверки и финансовой приемлемости для решения этих проблем. PACT проведет полевые и лабораторные испытания, разработает и утвердит протоколы ускоренных испытаний и модели выхода энергии, а также проведет технические и коммерческие исследования рентабельности, чтобы улучшить наше понимание и уверенность в долговечности перовскитных фотоэлектрических технологий в реальных условиях.

SETO также разработала целевые показатели эффективности для поддержки путей коммерциализации перовскитных фотоэлектрических элементов на основе Целевых показателей для программ исследований, разработок и демонстраций перовскитовых фотоэлектрических систем. Запрос на информацию (RFI). Эти цели по эффективности, стабильности и воспроизводимости перовскитных фотоэлектрических устройств могут согласовать направления и цели исследований, гарантируя актуальность будущих программ финансирования и ускоряя техническое и коммерческое развитие и снижение рисков перовскитных технологий.

SETO Перовскит Финансирование исследований и разработок

• SETO FY2021 Малые инновационные проекты в области солнечной энергетики (SIPS)
• Вызовы американского производства: приз за перовскитовый стартап
• SETO FY2020 Программа финансирования перовскита
• SETO FY2020 Фотогальваника
• SETO FY2020 Small Innovation Projects in Solar (SIPS)
• SETO FY2019 Фотогальваника
• SETO FY2018 Фотогальваника
• Исследования и разработки в области фотоэлектричества: небольшие инновационные проекты в области солнечной энергетики (PVRD-SIPS)
• Фотогальваника следующего поколения 3

Дополнительная информация

• Ознакомьтесь с точкой зрения SETO на пути к коммерциализации перовскита.
• Ознакомьтесь с выводами SETO по целевым показателям эффективности для программ исследований, разработок и демонстраций перовскитовых фотоэлектрических систем.
  Запрос информации.
• Посетите нашу карту солнечных проектов и выполните поиск по слову “перовскит”, чтобы узнать больше об этих проектах.
• Ознакомьтесь с исследованиями SETO PV.
• Узнайте больше об основах фотоэлектрических технологий.
• Подпишитесь на нашу рассылку , чтобы быть в курсе последних новостей.

Перовскитные солнечные элементы | Photovoltaic Research

Программа NREL по применению перовскита направлена ​​​​на то, чтобы сделать перовскитные солнечные элементы жизнеспособной технологией. путем устранения барьеров на пути коммерциализации за счет повышения эффективности, контроля стабильности, и включение масштабирования.

Материалы из перовскита обеспечивают отличное поглощение света, подвижность носителей заряда, и срок службы, что приводит к высокой эффективности устройств с возможностью реализовать недорогая, масштабируемая в отрасли технология.

Для реализации этого потенциала нам потребуется для преодоления барьеров, связанных со стабильностью и совместимостью с окружающей средой, но если эти проблемы решены, технология на основе перовскита обладает трансформационным потенциалом для быстрого развертывания солнечной энергии в тераваттном масштабе. Основные свойства материалов также вызвал интерес к использованию гибридных перовскитных полупроводников в более широком классе энергий. приложений, которые охватывают традиционные электронные и оптические системы.

За несколько коротких лет NREL внесла значительный технический вклад в разработку перовскита. исследований, о чем свидетельствуют его ведущие публикации и значительный интерес по отраслям. Влияние NREL стало возможным благодаря краткосрочным лабораторным исследованиям. и финансирование развития и ранние инвестиции от Управления Министерства энергетики.

наук, Управление фундаментальных энергетических наук, Программа солнечной фотохимии, затем благодаря усилиям, финансируемым Управлением по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии Министерства энергетики. Энергия, сосредоточенная на фотоэлектрических элементах (PV). На сегодняшний день ученые NREL опубликовали более 60 статей в авторитетных журналах в этой области.

Метиламмонийтрийодид свинца (CH ₃ NH ₃ )PbI ₃ или MAPbI

3 является одним из исследуемых нами перовскитов.

Наш опыт

У нас есть опыт работы с перовскитом PV в:

• Характеристика основных материалов
  • Фундаментальная фотофизика, фотохимия и динамика экситонов/носителей заряда
  • Межфазное выравнивание энергии и процессы переноса заряда (сбора носителей)
  • Структурная и композиционная характеристика
• Разработка материалов и композиционных материалов для повышения стабильности
• Высокоэффективное производство солнечных элементов с тестированием производительности и стабильности устройства
• Масштабирование, печать, нанесение покрытия с помощью щелевого штампа и рулонное производство.

Области исследований

Уникальные свойства галогенидных перовскитных систем и их способность обрабатываться в растворе могут позволить их использование — и, по доверенности, действия NREL — в обработке решений и расширенных производство.

Область применения этого общего класса систем включает маломощную электронику, излучатели света, детекторы и связанные с ними системы интегральных схем для динамической энергии управление многочисленными приложениями.

Уникальная динамика охлаждения носителя указывает на то, что эти системы также могут быть привлекательными для термоэлектрических и связанных с ними приложений по утилизации энергии, которые пересекаются с гражданскими и военные нужды в энергии.

Инструменты и возможности

NREL предлагает ряд инструментов и возможностей для исследований и разработок перовскитовых материалов и устройства.

Материалы и конструкция устройств

• Химический синтез и синтез наноматериалов
  Синтез новых прекурсоров позволяет создавать новые перовскиты или высокостабильные материалы и нанокристаллические исходные материалы для высококачественных перовскитовых поглощающих слоев.
• Изготовление устройств по последнему слову техники
  NREL регулярно достигает эффективности >20% и имеет высокоэффективные устройства на 1 см ² и больше.
• Современный синтез контактных материалов из углеродных нанотрубок
• Масштабирование и изготовление устройств большой площади  
  Оборудование варьируется от струйного осаждения на атмосферной платформе обработки.

Характеристика материалов и устройств

• Фемтосекундная фотолюминесценция, нестационарное поглощение и нестационарная терагерцовая спектроскопия
  Эти методы позволяют нам изучать динамику экситонов и носителей заряда и изучить перенос заряда на интерфейсах.
• Нестационарная микроволновая проводимость  
  Этот уникальный инструмент необычайно чувствителен к свободным носителям заряда и позволяет очень чувствительное исследование генерации носителей и переноса заряда при интенсивности света.
• Характеристика структуры с помощью рентгеновской дифракции
  Наше оборудование позволяет проводить крупномасштабный комбинаторный анализ эволюции структуры при обработке перовскитов. Мы также активно сотрудничаем с SLAC для этого. цель.

Один испытательный блок системы анализа параметров солнечной активности позволяет проводить одновременное исследование из 12 устройств размером 1 на 1 дюйм.

• Система анализа параметров солнечной активности
  Эта система позволяет получить уникальный набор характеристик долговременной надежности отдельных фотоэлектрические элементы. Система состоит из четырех компонентов: проточная ячейка; индивидуально адресуемый, матричный электрические каналы для испытуемых устройств; ряд датчиков/сенсорных каналов; и электроника управления/измерения. В дополнение к приложениям PV, система может быть применяется к твердотельному освещению, тестированию покрытий и барьеров, батарей и более.
• Материалы на основе микроскопии и характеристика устройств  
  Перовскитовые исследования также используют преимущества всеобъемлющего набора возможностей микроскопии (например, сканирующей зондовой микроскопии, просвечивающей электронной микроскопии и катодолюминесценции). Эти инструменты предоставляют структурную и электронную информацию о материалах, а также могут понимание электрических полей на уровне устройства с помощью фотоэлектрических систем на основе перовскита. (Видеть использование катодолюминесценции; низкоэнергетическая электронная микроскопия, спектроскопия потерь энергии электронов; просвечивающая электронная микроскопия in situ и рентгеновская дифракция; Силовая микроскопия с зондом Кельвина.)
• Характеристика поверхности и интерфейса  
  Критически важными для понимания перовскитных материалов и устройств являются их интерфейсы с традиционные электронные материалы. В нашей работе по перовскиту используется комплексный набор инструментов определения характеристик поверхности и границы раздела, включая возможности исследования поверхности (например, электронную Оже-спектроскопию, рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию, анализ вторичных ионов). масс-спектрометрия), а также объекты пользователей Министерства энергетики. (См. использование фотоэмиссионной спектроскопии/спектроскопии нестационарного поглощения, рентгеновской и ультрафиолетовой фотоэлектронной спектроскопии. )
• Симулятор солнечной энергии с током-напряжением
  • Внешняя квантовая эффективность и внешняя квантовая эффективность flash/mapping
  • Спектрофотометр ультрафиолетового и видимого диапазонов
  • Профилировщик поверхности
  • Оптические микроскопы
  • Настройка угла контакта

Проекты

История наших финансируемых исследований перовскитов включает следующее:

Лабораторные исследования и разработки 
2014–2015 финансовый год характер конструкции устройства. Этот проект положил начало большей части нашей нынешней программы.

NEXT Gen III
FY 2015–FY 2018

Основное внимание уделялось разработке высокоэффективных многопереходных солнечных элементов на основе перовскита. Ключевые задачи включали разработку перовскитового материала с более низкой шириной запрещенной зоны и туннельных переходов. для последовательного соединения подэлементов.

Лабораторные исследования и разработки 
2015–2016 финансовый год

В сотрудничестве с SLAC нашей целью было понимание кристаллографии высокого уровня дефекты и их связь с работой устройства.

Годовой операционный план Инициативы директоров
2015 финансовый год

Начальные средства были использованы для развития Управления по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии Многолетняя программа Национальной лаборатории SunShot, позволяющая проводить исследовательскую деятельность до к подаче предложения.

Управление фундаментальных энергетических наук

Основная программа солнечной фотохимии занимается изучением фундаментальных аспектов солнечной энергетики. фотопреобразование, включая экситонные эффекты, перенос заряда и перенос заряда между слоями. Перовскиты — лишь малая часть программы фундаментальных энергетических наук; тем не менее, опыт, накопленный в рамках программы, связанный с контактом с углеродными нанотрубками слои, микроволновая проводимость и динамика носителей применяются к перовскитным системам.

Управление фундаментальных энергетических наук

Центр материалов нового поколения NREL от Design Energy Frontier Research Center изучил альтернативные бессвинцовые материалы из перовскита и изучил электронные свойства, которые позволяют свинцово-галогенидному перовскиту быть столь эффективным. Центр Материалы нового поколения по дизайну определили класс материалов, таких как BiI3, которые имитируют электронную структуру перовскита.

Компании, заинтересованные в опыте NREL, установили партнерские отношения с Сотрудники NREL помогают продвигать исследования компании к коммерциализации.

Этот проект, завершенный в 2016 финансовом году, оказался чрезвычайно полезным для создания экспериментального условия для успешного просмотра этих материалов. Он также сообщил на уровне устройства работать с пониманием фундаментальных аспектов микроструктуры материала во время формирования.

Годовой операционный план
2016 финансовый год – 2018 финансовый год

Этот проект финансируется Управлением по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии SunLaMP. сосредоточен на понимании проблем материалов, приложений и конфигураций устройств которые могут предотвратить или включить системы перовскита в приложениях по сбору энергии.

Тема 7
FY 2016

Цель состояла в том, чтобы разработать новые высокостабильные перовскитные материалы методом осаждения из паровой фазы.

Подробная информация о трех дополнительных проектах, проводимых в рамках гибридного перовскита площадь солнечных батарей указана ниже.

Ультравысокоэффективная и недорогая поликристаллическая галогенидная тонкопленочная перовскитная солнечная батарея Клетки

Золото	АРК
Контактный телефон
п-перовскит (T) Окно (~10 18 см -3 )
п-перовскит (T) Излучатель (~10 18 см -3 )
н-перовскит (T) Основание (~10 17 см -3 )
н-перовскит (Т) ЧФ (~10 18 см -3 )
Туннельный узел
п-перовскит (B) Окно (~10 18 см -3 )
п-перовскит (B) Излучатель (~10 18 см -3 )
н-перовскит (B) Основание (~10 17 см -3 )
н-перовскит (B) ЧФ (~10 18 см -3 )
Металл
Стекло

Очень медленное охлаждение горячих носителей в металлогалогенидном перовските (см. , статья ).

Мы разрабатываем двухпереходные тонкопленочные тандемные солнечные элементы с использованием недорогих поликристаллических галогенидные перовскиты (например, Ch4Nh4PbI3) как для верхней, так и для нижней ячейки. Галогенные перовскиты продемонстрировали исключительный прогресс в производительности фотоэлементов — с 3,8% в 2009 г. сертифицировано 22% в 2016 году. Примечательно, что такие высокоэффективные перовскитные солнечные элементы могут изготавливаться из поликристаллических материалов путем обработки раствором.

Мы хотим:

• Понимать основные материалы (например, легирование и дефекты) и связанные с ними свойства устройства галоидные перовскиты
• Изготовление высокоэффективных перовскитовых ячеек с одним переходом (сверху и снизу)
• Демонстрация сверхвысокоэффективных тандемных перовскитных солнечных элементов.

Наше внимание сосредоточено на ячейках с одним соединением с использованием двух взаимодополняющих методов (растворение и испарения), пытаясь понять физику легирования/дефектов и применяя туннельный переход или слой рекомбинации для тандемных ячеек. На рисунке показана схема ячейки Архитектура, над которой мы работаем.

Сверхбыстрая динамика носителей заряда в металлогалогенидных перовскитах

Мы подробно изучили сверхбыструю динамику возбужденных состояний, включая экситоны. носители заряда и статистика их рекомбинации.

• Сверхмедленное охлаждение носителей
  NREL продемонстрировал, что при возбуждении высокоэнергетическим светом охлаждение носителей заряда скорость в материале перовскита замедляется в процессе охлаждения – замедленное охлаждение наблюдается в PbMAI ₃ намного медленнее, чем в традиционных неорганических полупроводниках, и сопоставимо до дорогих инженерных многослойных структур с квантовыми ямами, что делает этот материал Возможный кандидат на солнечные элементы следующего поколения с горячими носителями, которые могут достигать очень высокая эффективность преобразования энергии.
• Экситоны влияют на динамику оптического поглощения и рекомбинации
  Несмотря на то, что экситоны нестабильны при комнатной температуре, кулоновское взаимодействие между электронов и дырок влияет на оптическое поглощение в этих материалах, увеличивая сила поглощения выше GaAs и других прототипов полупроводников. Мы также нашли что присутствие экситонов влияет на динамику рекомбинации.
• Очень медленная поверхностная рекомбинация
  что даже на непассивированных поверхностях поверхностная рекомбинация в этих материалах происходит очень медленно, намного медленнее, чем поверхностная рекомбинация на других (непассивированных) полупроводниках.

Электронное выравнивание уровня энергии в углеродной нанотрубке/органическом металлогалогенидном перовските Интерфейс

 

Напечатанные углеродные контакты могут быть реализованы как транспортный слой носителей заряда, альтернативный традиционным транспортным слоям органических или оксидов. Мы демонстрируем, что устройства с углеродными нанотрубками, встроенными в полимерную матрицу, может обеспечить высокую эффективность и улучшенная стабильность. Обработка углеродных нанотрубок совместима с подходами масштабирования методом напыления и печати. См. «Эффективное извлечение заряда и медленная рекомбинация в органо-неорганических перовскитах». Покрытые полупроводниковыми однослойными углеродными нанотрубками” для получения дополнительной информации.

• Количественная энергетика интерфейса
  Мы используем фотоэмиссионную спектроскопию на тонкой однослойной углеродной нанотрубке (ОУНТ) слои и чувствительность поверхности зонда для изучения электронного взаимодействия и химического изменения. Мы также отслеживаем изгиб полос в пленках метиламин-йодистого свинца (MAPbI ₃ ) в зависимости от толщины верхнего слоя ОУНТ.
• Электронная структура интерфейса
  Мы определяем структуру валентной зоны по спектрам ультрафиолетовой фотоэмиссии. Одним из результатов является изгиб полосы в слое ОУНТ с ОУНТ n-типа на границе раздела MAPbI ₃ / ОУНТ с пленкой ОУНТ p-типа, немного удаленной от границы раздела.
• Химия интерфейса
  Мы использовали рентгеновскую фотоэмиссионную спектроскопию и не обнаружили искривления зон в MAPbI ₃ . Сдвиги основного уровня ОУНТ отслеживаются с изгибом полос, наблюдаемым в спектрах валентных полос.
• перенос заряда в основном состоянии
  n-типа на интерфейсе после изгиба полосы в SWCNT до собственного состояния. Верхний слой SWCNT не вызывает изгиба полосы в пленке MAPbI ₃ , и нет барьера для скопления дырок на границе раздела, поэтому происходит быстрое и эффективное извлечение отверстия.