Перовскитный солнечный элемент на основе олова
Перовскитный солнечный элемент на основе олова представляет собой особый тип перовскитного солнечного элемента , основанный на структуре перовскита олова (ASnX 3 , где «A» — одновалентный катион , олово находится в степени окисления Sn (II), а «X» — одновалентный ) галогена анион . Как технология , солнечные элементы на основе перовскита на основе олова все еще находятся на стадии исследований и еще менее изучены, чем их аналог, солнечные элементы на основе перовскита на основе свинца. Основным преимуществом перовскитных солнечных элементов на основе олова является то, что они не содержат свинца. Существуют экологические проблемы, связанные с использованием перовскитных солнечных элементов на основе свинца в крупномасштабных приложениях; [1] [2] Одна из таких проблем заключается в том, что, поскольку материал растворим в воде, а свинец очень токсичен, любое загрязнение поврежденными солнечными элементами может вызвать серьезные проблемы со здоровьем и окружающей средой. [3] [4]
Зарегистрированная и сертифицированная максимальная эффективность солнечного элемента составляет 14,6% для модифицированной композиции на основе трииодида формамидиния и олова (CH(NH 2 ) 2 SnI 3 или FAPbI 3 ) с дополнительным NH 4 SCN и PEABr. содержанием [5] 5,73% для CH 3 NH 3 SnIBr 2 , [6] 3% для CsSnI 3 (5,03% в квантовых точках ), и выше 10% для различных составов на основе формамидиния- олова трииодида . [7] [8] FAPbI 3 , в частности, может оказаться многообещающим, поскольку, будучи примененным в виде тонкой пленки , он, по-видимому, потенциально может превысить предел Шокли-Кейсера , позволяя захватывать горячие электроны , что может значительно повысить эффективность. [9]
Трииодид метиламмония олова (CH 3 NH 3 SnI 3 или MASnI 3 ) имеет диапазон запрещенной зоны 1,2–1,3 эВ, тогда как FASnI 3 имеет ширину запрещенной зоны примерно 1,4 эВ.
Самодопинг
[ редактировать ]Основным препятствием для создания жизнеспособных солнечных элементов на перовските олова является нестабильность степени окисления олова Sn. 2+ , который легко окисляется до более стабильного Sn 4+ . [10] В исследованиях солнечных элементов этот процесс называется самолегированием. [11] потому что Сн 4+ действует как p- легирующая добавка и снижает эффективность солнечных элементов . Дефекты вакансий , которые способствуют этому процессу, являются предметом активных исследований; Народная мудрость гласит, что для этого процесса необходимы вакансии олова, но в CsSnI 3 основным источником дырок являются вакансии Cs. [12] В целом, уменьшение вакансий олова по-прежнему идеально, поскольку они препятствуют движению носителей заряда и снижают эффективность. [13]
Было исследовано несколько методов противодействия самолегированию перовскитов на основе олова. Одним из методов является герметизация клеток полимерами, такими как полиметилметакрилат, чтобы они не подвергались воздействию кислорода. [14] Альтернативно считается, что увеличение размера органического компонента геометрически препятствует диффузии кислорода. [15] Однако эти методы не противодействуют Sn 4+ ионы, образующиеся в процессе синтеза клеток. Такие ионы могут быть связаны с хелатирующим лигандом, например хлоридом формамидиния ; олова координационный комплекс затем можно удалить мягким нагреванием (<60 ° C). Пока температура испарения комплекса ниже температуры, при которой перовскит теряет массу, пленка перовскита останется неповрежденной после этого этапа обработки, за исключением удаленных ионов Sn(IV). [16]
Другой вариант - добавление восстановителей в качестве расходуемых анодов : они могут быть такими разными, как мальтол , галловая кислота или гидразин . [17] [18] Восстановители на основе олова, такие как чистый элемент или галогениды олова , также действуют как источник олова, заполняя вакансии олова. [18]
Отжиг пленок перовскита во время осаждения также снижает самолегирование. [19]
Морфология тонких пленок
[ редактировать ]Еще одна проблема, связанная с солнечными элементами из олово-перовскита, заключается в быстрой кристаллизации олово-перовскита, часто приводящей к плохой морфологии, высокой плотности точечных отверстий и неполному покрытию подложки. Морфология тонких пленок олово-перовскита была улучшена за счет обработки паром. [20] и методы горячего антирастворителя. [20] Другие исследования показывают, что добавление хлорида метиламмония в раствор прекурсора улучшает морфологию тонких пленок перовскита олова. [21]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Эспиноза, Ньевес; Серрано-Лухан, Люсия; Урбина, Антонио; Кребс, Фредерик К. (июнь 2015 г.). «Солнечные элементы из перовскита свинца, осажденные в растворе и паре: экотоксичность с точки зрения оценки жизненного цикла». Материалы для солнечной энергии и солнечные элементы . 137 : 303–310. Бибкод : 2015SEMSC.137..303E . дои : 10.1016/j.solmat.2015.02.013 .
- ^ Чжан, Цзинъи; Гао, Сяньфэн; Дэн, Елин; Ли, Бинбин; Юань, Крис (ноябрь 2015 г.). «Оценка жизненного цикла технологии солнечных батарей из титана и перовскита для устойчивого проектирования и производства». ChemSusChem . 8 (22): 3882–3891. Бибкод : 2015ЧСЧ...8.3882З . дои : 10.1002/cssc.201500848 . ПМИД 26489525 .
- ^ Бенмессауд, Инесс Р.; Махуль-Мелье, Анн-Лора; Хорват, Эндре; Мако, Богумил; Спина, Массимо; Лашуэль, Хилал А.; Форро, Ласло (2016). «Опасность для здоровья перовскитов на основе йодида свинца метиламмония: исследования цитотоксичности» . Токсикологические исследования . 5 (2): 407–419. дои : 10.1039/c5tx00303b . ПМК 6062200 . ПМИД 30090356 .
- ^ Бабайигит, Аслихан; Дуй Тхань, Динь; Этираджан, Анита; Манка, Жан; Мюллер, Марк; Бойен, Ханс-Герд; Конингс, Берт (13 января 2016 г.). «Оценка токсичности перовскитных солнечных элементов на основе Pb и Sn в модельном организме Danio rerio» . Научные отчеты . 6 (1): 18721. Бибкод : 2016NatSR...618721B . дои : 10.1038/srep18721 . ПМЦ 4725943 . ПМИД 26759068 .
- ^ Цзян, Ханьшэн; Вэй, Ци; Ван, Чжэнь, Цзыцзянь; Цзян, Цзихао; Сюй, Хоу, И; Жуй; Сарджент, Эдвард Х.; Нин, Чжицзюнь (28 июля 2021 г. ) . Сэм; Чжоу , Вэньцзя; Си , Клетки». Журнал Американского химического общества . 143 (29): 10970–10976. doi : 10.1021/jacs.1c03032 . PMID 34196528 .
- ^ Хао, Фэн; Стумпос, Константинос К.; Цао, Дуйен Хань; Чанг, Роберт П.Х.; Канацидис, Меркури Г. (июнь 2014 г.). «Бессвинцовые твердотельные органо-неорганические галогенид-перовскитовые солнечные элементы». Природная фотоника . 8 (6): 489–494. Бибкод : 2014NaPho...8..489H . дои : 10.1038/nphoton.2014.82 .
- ^ Шуян Шао, Цзянь Лю, Джузеппе Портале, Хун-Хуа Фанг, Грэм Р. Блейк, Герт Х. тен Бринк, Л. Ян Антон Костер, Мария Антониетта Лой (2018). «Высоковоспроизводимые гибридные перовскитовые солнечные элементы на основе олова с эффективностью 9%» . Передовые энергетические материалы . 8 (4): 1702019. Бибкод : 2018AdEnM...802019S . дои : 10.1002/aenm.201702019 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Джокар, Эфат; Цзянь, Ченг-Сюнь; Цай, Ченг-Мин; Фатхи, Амир; Диау, Эрик Вэй-Гуан (январь 2019 г.). «Надежные перовскитные солнечные элементы на основе олова с гибридными органическими катионами для достижения эффективности, приближающейся к 10%». Продвинутые материалы . 31 (2): e1804835. Бибкод : 2019AdM....3104835J . дои : 10.1002/adma.201804835 . ПМИД 30411826 .
- ^ Фанг, Хун-Хуа; Аджокаце, Сэмпсон; Шао, Шуян; Даже Джеки; Лой, Мария Антониетта (16 января 2018 г.). «Долгоживущее излучение горячих носителей света и большой синий сдвиг в перовскитах трииодида формамидиния и олова» . Природные коммуникации . 9 (243): 243. Бибкод : 2018NatCo...9..243F . дои : 10.1038/s41467-017-02684-w . ПМК 5770436 . ПМИД 29339814 .
- ^ Ли, Сон Джу; Шин, Сон Сик; Ким, Ён Чан; Ким, Дасом; Ан, Тэ Гю; Но, Джун Хун; Со, Чанвон; Сок, Сан Иль (30 марта 2016 г.). «Изготовление эффективных перовскитных солнечных элементов на основе формамидиния иодида олова с помощью комплекса SnF 2 –пиразин». Журнал Американского химического общества . 138 (12): 3974–3977. дои : 10.1021/jacs.6b00142 . ПМИД 26960020 .
- ^ Такахаси, Юкари; Обара, Лин, Чжэн-Чжун; Наито, Тошио; Исибаши, Сёдзи; Теракура, Киёюки (2011). Транспорт заряда в перовските олова CH3NH3SnI3. . Транзакции Далтона hdl 40 (20): : 10.1039 / . doi : 2115/48597 . . C0DT01601B 5563–5568
- ^ Чжан, Цзяцзя; Чжун, Ю (2 ноября 2022 г.). «Истоки p-легирования и безызлучательной рекомбинации в CsSnI 3». Ангеванде Хеми . 134 (44). Бибкод : 2022AngCh.13412002Z . дои : 10.1002/ange.202212002 .
- ^ Чанг, Бохонг; Ли, Бо; Ван, Чжунсяо; Ли, Хуэй; Ван, Лиан; Пан, Лу; Ли, Цзыхао; Инь, Лунвэй (март 2022 г.). «Эффективная стратегия подавления объемных дефектов в перовските FASnI 3 для повышения фотоэлектрических характеристик». Передовые функциональные материалы . 32 (12). дои : 10.1002/adfm.202107710 .
- ^ Инь, Юнци; Ван, Мэнци; Мальграс, Виктор; Ямаути, Юсуке (23 ноября 2020 г.). «Стабильный и эффективный перовскитный солнечный элемент на основе олова с полупроводниково-изоляционной структурой». ACS Прикладные энергетические материалы . 3 (11): 10447–10452. дои : 10.1021/acsaem.0c01422 .
- ^ Ланцетта, Луис; Марин-Белоки, Хосе Мануэль; Санчес-Молина, Ирен; Дин, Донг; Хак, Саиф А. (14 июля 2017 г.). «Двумерные органические перовскиты галоида олова с настраиваемым видимым излучением и их использование в светоизлучающих устройствах». Энергетические письма ACS . 2 (7): 1662–1668. doi : 10.1021/acsenergylett.7b00414 .
- ^ Чжоу, Цзяньхэн; Хао, Чжан Ю; Ма, Дун, Цзяньчао; Ван, Нин; Февраль 2022 г. оловянно-перовскитовые солнечные элементы». Дело . 5 (2): 683–693. doi : 10.1016/j.matt.2021.12.013 .
- ^ Ху, Шуайфэн; Труонг, Минь Ань; Оцука, Кенто; Ханда, Такето; Ямада, Такуми; Нисикубо, Рёске; Ивасаки, Ясуко; Саэки, Акинори; Мерди, Ричард; Канемицу, Ёсихико; Вакамия, Ацуши (2021). «Смешанные пленки перовскита свинца и олова со временем жизни носителей заряда> 7 мкс, полученные путем последующей обработки мальтолом» . Химическая наука . 12 (40): 13513–13519. дои : 10.1039/D1SC04221A . ПМЦ 8528037 . ПМИД 34777771 .
- ^ Перейти обратно: а б Цао, Цзюпэн; Ян, Фэн (2021). «Последние достижения в области перовскитных солнечных элементов на основе олова». Энергетика и экология . 14 (3): 1286–1325. дои : 10.1039/D0EE04007J .
- ^ Му, Хайчуань; Ху, Фань; Ван, Руибин; Цзя, Цзюньлинь (октябрь 2020 г.). «Влияние отжига in-situ на электролюминесцентные характеристики перовскитных светодиодов на основе олова, полученных термическим испарением». Журнал люминесценции . 226 : 117493. doi : 10.1016/j.jlumin.2020.117493 .
- ^ Перейти обратно: а б Лю, Цзевэй; Одзаки, Масаси; Якумару, Шинья; Ханда, Такето; Нисикубо, Рёске; Канемицу, Ёсихико; Саэки, Акинори; Мурата, Ясудзиро; Мерди, Ричард; Вакамия, Ацуши (октябрь 2018 г.). «Безсвинцовые солнечные элементы на основе пленок галогенида олова-перовскита с высокой степенью покрытия и улучшенной агрегацией». Angewandte Chemie, международное издание . 57 (40): 13221–13225. дои : 10.1002/anie.201808385 . ПМИД 30110137 .
- ^ Куззупе, Даниэле Т.; Оз, Серен Дилара; Линг, Джин Кьонг; Иллинг, Элиас; Зеевальд, Тобиас; Хосе, Раджан; Олтхоф, Селина; Фахаруддин, Ажар; Шмидт-Менде, Лукас (декабрь 2023 г.). «Понимание кристаллизации с помощью хлорида метиламмония для улучшения характеристик солнечных элементов из бессвинцового оловянного перовскита» . Солнечная РРЛ . 7 (24). дои : 10.1002/solr.202300770 .