Sumber: ossila.com
Peningkatan cepat sel surya perovskite telah menjadikannya bintang yang naik dari dunia fotovoltaik dan sangat menarik bagi komunitas akademik. Karena metode operasional mereka masih relatif baru, ada peluang besar untuk penelitian lebih lanjut ke dalam fisika dasar dan kimia di sekitar perovskit. Selain itu, seperti yang telah ditunjukkan selama beberapa tahun terakhir - peningkatan rekayasa formulasi perovskit dan rutin fabrikasi telah menyebabkan peningkatan yang signifikan dalam efisiensi konversi daya, dengan perangkat baru-baru ini mencapai lebih dari 23%, pada Juni 2018.
Apa itu Perovskit?
Mengapa Sel Surya Perovskite Begitu Penting?
Masalah apa yang dihadapi Perovskites?
Fabrikasi dan Pengukuran Sel Surya Perovskite
Masa Depan Perovskit
Panduan Video Fabrikasi Perovskite
Produk Ossila untuk Sel Surya Perovskite
Referensi
Bacaan lebih lanjut
Apa itu Perovskit?
Istilah "perovskite" dan "struktur perovskite" sering digunakan secara bergantian. Secara teknis, perovskit adalah jenis mineral yang pertama kali ditemukan di Pegunungan Ural dan dinamai menurut Lev Perovski (yang merupakan pendiri Masyarakat Geografi Rusia). Struktur perovskit adalah senyawa apa pun yang memiliki struktur yang sama dengan mineral perovskit.
Perovskit sejati (mineral) tersusun atas kalsium, titanium, dan oksigen dalam bentuk CaTiO 3 . Sementara itu, struktur perovskit adalah segala sesuatu yang memiliki bentuk generik ABX 3 dan struktur kristalografi yang sama dengan perovskit (mineral). Namun, karena kebanyakan orang di dunia sel surya tidak terlibat dengan mineral dan geologi, struktur perovskit dan perovskit digunakan secara bergantian.
Pengaturan kisi perovskit ditunjukkan di bawah ini. Seperti banyak struktur dalam kristalografi, itu dapat direpresentasikan dalam berbagai cara. Cara paling sederhana untuk memikirkan perovskit adalah sebagai kation atom atau molekul besar (bermuatan positif) tipe A di tengah kubus. Sudut kubus kemudian ditempati oleh atom B (juga kation bermuatan positif) dan wajah kubus ditempati oleh atom X yang lebih kecil dengan muatan negatif (anion).
Struktur kristal perovskit generik dari bentuk ABX3. Perhatikan bahwa kedua struktur itu setara - struktur sebelah kiri digambar sehingga atom B berada pada posisi <0,0,0> sedangkan struktur kanan digambar sehingga atom (atau molekul) A berada pada < 0,0,0=""> posisi. Perhatikan juga bahwa garis-garis tersebut adalah panduan untuk mewakili orientasi kristal daripada pola ikatan.
Bergantung pada atom / molekul mana yang digunakan dalam struktur, perovskit dapat memiliki serangkaian sifat menarik yang mengesankan, termasuk superkonduktivitas, magnetoresisten raksasa, transportasi bergantung-spin (spintronics) dan sifat katalitik. Karenanya, Perovskites mewakili taman bermain yang menarik bagi fisikawan, ahli kimia, dan ilmuwan material.
Perovskit pertama kali berhasil digunakan dalam sel surya solid-state pada tahun 2012, dan sejak saat itu sebagian besar sel telah menggunakan kombinasi bahan berikut dalam bentuk perovskit biasa ABX 3 :
A = Kation organik - metilammonium (CH 3 NH 3+ ) atau formamidinium (NH 2 CHNH 2 + )
B = Kation anorganik besar - biasanya timbal (II) (Pb 2+ )
X 3 = Anion halogen yang sedikit lebih kecil - biasanya klorida (Cl - ) atau iodida (I - )
Karena ini adalah struktur yang relatif umum, perangkat berbasis perovskit ini juga dapat diberi sejumlah nama berbeda, yang dapat merujuk ke kelas material yang lebih umum atau kombinasi tertentu. Sebagai contohnya, kami telah membuat tabel di bawah ini untuk menyoroti berapa banyak nama yang dapat dibentuk dari satu struktur dasar.
SEBUAH | B | X 3 |
Organo | Logam | Trihalide (atau trihalide) |
Metilamonium | Memimpin | Iodide (atau triiodide) |
Timah | Klorida (atau triklorida) |
Tabel 'memilih-nama' perovskit : Pilih satu item dari kolom A, B atau X 3 untuk menghasilkan nama yang valid. Contohnya termasuk: Organo-timbal-klorida, Metilamonium-logam-trihalida, organo-plumbat-iodida dll.
Tabel tersebut menunjukkan seberapa luas ruang parameter untuk kombinasi bahan / struktur potensial, karena ada banyak atom / molekul lain yang dapat digantikan untuk setiap kolom. Pilihan kombinasi bahan akan sangat penting untuk menentukan sifat optik dan elektronik (misalnya celah pita dan spektrum serapan yang sepadan, mobilitas, panjang difusi, dll). Optimalisasi brute-force sederhana dengan skrining kombinatorial di lab cenderung sangat tidak efisien dalam menemukan struktur perovskit yang baik.
Mayoritas perovskit yang efisien didasarkan pada halida logam Golongan IV (khususnya timah hitam), dan bergerak melampaui ini terbukti sangat menantang. Mungkin pengetahuan yang lebih mendalam dari yang tersedia saat ini diperlukan untuk sepenuhnya mengeksplorasi berbagai kemungkinan struktur perovskit. Sel surya berbasis perovskit berbasis timah sangat baik karena berbagai faktor, termasuk penyerapan yang kuat dalam rezim yang terlihat, panjang difusi pembawa muatan panjang, celah pita merdu, dan pembuatan mudah (karena toleransi cacat yang tinggi dan kemampuan untuk memproses pada suhu rendah).
Mengapa Sel Surya Perovskite Begitu Penting?
Ada dua grafik utama yang menunjukkan mengapa sel surya perovskite telah menarik perhatian yang menonjol dalam waktu singkat sejak 2012. Yang pertama dari grafik ini (yang menggunakan data yang diambil dari bagan efisiensi sel surya NREL) 1 menunjukkan efisiensi konversi daya dari perovskite tersebut. berbasis perangkat selama beberapa tahun terakhir, dibandingkan dengan teknologi penelitian photovoltaic yang muncul, dan juga photovoltaics film tipis tradisional.
Grafik menunjukkan kenaikan meteorik dibandingkan dengan kebanyakan teknologi lainnya selama periode waktu yang relatif singkat. Dalam 4 tahun terobosan mereka, sel surya perovskite telah menyamai efisiensi Cadmium Telluride (CdTe), yang telah ada selama lebih dari 40 tahun. Selain itu, pada Juni 2018 mereka sekarang telah melampaui semua film tipis lainnya, teknologi non-konsentrator - termasuk CdTe dan Copper Indium Gallium Selenide (CIGS). Meskipun dapat dikatakan bahwa lebih banyak sumber daya dan infrastruktur yang lebih baik untuk penelitian sel surya telah tersedia dalam beberapa tahun terakhir, peningkatan dramatis dalam efisiensi sel surya perovskit masih sangat signifikan dan mengesankan.
Sel surya perovskit telah meningkatkan efisiensi konversi daya pada tingkat yang fenomenal dibandingkan dengan jenis fotovoltaik lainnya. Meskipun angka ini hanya mewakili "sel pahlawan" berbasis laboratorium, itu memberi banyak harapan.
Grafik kunci kedua di bawah ini adalah tegangan rangkaian terbuka dibandingkan dengan celah pita untuk berbagai teknologi yang bersaing dengan perovskit. Grafik ini menunjukkan berapa banyak energi foton yang hilang dalam proses konversi dari cahaya menjadi listrik. Untuk sel surya standar berbasis organik berbasis-rangsang, kehilangan ini dapat mencapai 50% dari energi yang diserap, sedangkan sel surya perovskit secara teratur melebihi 70% pemanfaatan energi foton, dan memiliki potensi untuk ditingkatkan lebih jauh. 4
Ini mendekati nilai-nilai teknologi tercanggih (seperti GaAs), tetapi dengan biaya yang jauh lebih rendah. Sel surya silikon kristal, yang bisa dibilang pembanding terdekat dengan perovskit dalam hal efisiensi dan biaya, sudah mencapai 1000 kali lebih murah daripada GaA yang canggih. 5 Perovskites berpotensi menjadi lebih murah dari ini.
Pemanfaatan energi foton maksimum (didefinisikan sebagai tegangan rangkaian terbuka Voc dibagi dengan celah pita optik Eg) untuk sistem bahan sel surya persimpangan tunggal yang umum. Dihitung dari keadaan sel seni yang dirinci dalam tabel efisiensi NREL.
Masalah apa yang dihadapi Perovskites?
Masalah terbesar di bidang perovskites saat ini adalah ketidakstabilan jangka panjang. Ini telah ditunjukkan karena jalur degradasi yang melibatkan faktor-faktor eksternal, seperti air, cahaya, dan oksigen, dan juga sebagai akibat dari ketidakstabilan intrinsik, seperti degradasi pada pemanasan, karena sifat material. Untuk tinjauan umum tentang penyebab degradasi perovskit, lihat panduan Ossila.
Beberapa strategi telah diusulkan untuk meningkatkan stabilitas, yang paling berhasil dengan mengubah pilihan komponen. Menggunakan sistem kation campuran (misalnya dengan memasukkan kation anorganik seperti rubidium atau cesium) telah terbukti meningkatkan stabilitas dan efisiensi. Sel-sel perovskit pertama yang melebihi efisiensi 20% menggunakan sistem kation organik campuran, dan banyak dari sistem efisiensi tertinggi yang diterbitkan baru-baru ini menggunakan komponen anorganik. Gerakan ke arah lapisan antar muka yang stabil terhadap hidrofobik UV juga meningkatkan stabilitas - misalnya dengan mengganti TiO 2 , yang rentan terhadap degradasi UV, dengan Stabilitas SnO 2 juga telah ditingkatkan melalui penggunaan pasivasi permukaan dan dengan menggabungkan perovskit 2D-layered (Ruddlesden-Popper) (yang menunjukkan stabilitas intrinsik yang lebih baik, tetapi kinerjanya lebih buruk) dengan perovskit 3D konvensional. Upaya-upaya ini (bersama dengan faktor-faktor seperti enkapsulasi yang lebih baik) telah jauh meningkatkan stabilitas perovskit sejak awal perkenalannya, dan masa hidup sedang dalam perjalanan untuk memenuhi standar industri - dengan pekerjaan terbaru menunjukkan sel mampu menahan uji panas lembab 1000 jam. Untuk diskusi yang lebih mendalam tentang metode untuk meningkatkan stabilitas perovskit , lihat panduan Ossila.
Perovskit 3D konvensional (kiri) dibandingkan dengan struktur perovskit 2D generik (kanan).
Masalah lain yang belum sepenuhnya diatasi adalah penggunaan timbal dalam senyawa perovskit. Meskipun digunakan dalam jumlah yang jauh lebih kecil daripada yang saat ini ada dalam baterai berbasis timbal atau kadmium, keberadaan timbal dalam produk untuk penggunaan komersial bermasalah. Kekhawatiran masih tetap tentang paparan senyawa timbal beracun (melalui pencucian perovskit ke lingkungan), dan beberapa penelitian telah menyarankan implementasi perovskit skala besar akan membutuhkan penahanan lengkap produk degradasi. Sebaliknya, penilaian siklus hidup lainnya telah menemukan dampak toksisitas timbal dapat diabaikan dibandingkan dengan bahan lain dalam sel (seperti katoda).
Ada juga potensi untuk alternatif timah untuk digunakan dalam sel surya perovskite (seperti perovskit berbasis timah), tetapi efisiensi konversi daya dari perangkat tersebut masih jauh di belakang perangkat berbasis timah, dengan catatan untuk perovskite berbasis timah saat ini berdiri di 9.0%. Beberapa penelitian juga menyimpulkan bahwa timah sebenarnya memiliki toksisitas lingkungan yang lebih tinggi daripada timah, dan alternatif lain yang kurang beracun diperlukan.
Masalah utama lain dalam hal kinerja adalah histeresis tegangan arus yang biasa terlihat pada perangkat. Faktor-faktor yang mempengaruhi histeresis masih dalam perdebatan, tetapi paling sering dikaitkan dengan migrasi ion seluler dalam kombinasi dengan tingkat rekombinasi yang tinggi. Metode untuk mengurangi histeresis meliputi arsitektur sel yang bervariasi, pasivasi permukaan, dan meningkatkan kandungan iodida timah, serta strategi umum untuk mengurangi rekombinasi.
Suatu perkiraan histeresis tegangan arus sering dijumpai pada sel surya perovskit.
Untuk mengaktifkan biaya per watt yang benar-benar rendah, sel surya perovskite perlu mencapai trio yang banyak digembar-gemborkan tentang efisiensi tinggi, masa pakai yang lama, dan biaya produksi yang rendah. Ini belum dicapai untuk teknologi film tipis lainnya, tetapi perangkat berbasis perovskite saat ini menunjukkan potensi yang sangat besar untuk mencapai hal ini.
Fabrikasi dan Pengukuran Sel Surya Perovskite
Meskipun perovskit berasal dari dunia kristalografi yang tampaknya berbeda, mereka dapat dengan mudah dimasukkan ke dalam arsitektur standar OPV (atau film tipis lainnya). Sel surya perovskit pertama didasarkan pada sel surya peka kepekaan zat warna (DSSC), dan karenanya menggunakan perancah TiO2 mesopori. Banyak sel yang telah mengikuti templat ini atau menggunakan perancah Al 2 O 3 dalam arsitektur 'meso-superstruktur', tetapi langkah-langkah suhu tinggi yang diperlukan untuk pembuatan, dan ketidakstabilan UV dari TiO 2 , menyebabkan pengenalan arsitektur 'planar' yang serupa ke sel film tipis lainnya. Setelah beberapa tahun tertinggal di belakang sel mesopori dalam hal efisiensi, perovskit planar sekarang hampir sama efisiennya.
Struktur generik sel planov konvensional / terbalik dan sel perovskit mesopori (konvensional).
Film perovskit itu sendiri biasanya diproses dengan metode vakum atau larutan. Kualitas film sangat penting. Awalnya, film yang disimpan dengan vakum memberikan perangkat terbaik, tetapi proses ini membutuhkan penguapan bersama dari komponen organik (metilammonium) pada saat yang sama dengan komponen anorganik (timah halida), yang memerlukan ruang penguapan khusus yang tidak tersedia bagi banyak peneliti . Akibatnya, ada upaya signifikan dalam meningkatkan perangkat yang diproses-solusi, karena ini lebih sederhana dan memungkinkan untuk pemrosesan suhu rendah, dan sel-sel yang diendapkan vakum sama sekarang dalam hal efisiensi.
Biasanya, lapisan aktif sel surya perovskit diendapkan melalui proses satu atau dua langkah. Dalam proses satu langkah, larutan prekursor (seperti campuran CH 3 NH 3 I dan PbI 2 ) dilapisi yang kemudian dikonversi ke film perovskit saat dipanaskan. Variasi pada ini adalah metode 'antisolvent', di mana larutan prekursor dilapisi dalam pelarut polar, dan kemudian didinginkan selama proses pelapisan spin oleh pelarut non-polar. Penentuan waktu pendinginan dan volume pelarut pendinginan yang tepat diperlukan untuk memberikan kinerja yang optimal. Untuk membantu ini, kami membangun Pompa Syringe Ossila , yang memungkinkan kami menggunakan proses pendinginan ini untuk mendorong nilai efisiensi konversi daya internal lebih dari 16%.
Dalam proses dua langkah, logam halida (seperti PbI 2 ) dan komponen organik (seperti CH 3 NH 3 I) dilapisi-spin dalam film-film berikutnya yang terpisah. Atau, film halida logam dapat dilapisi dan dianil dalam ruang yang diisi dengan uap komponen organik, yang dikenal sebagai 'proses solusi berbantuan vakum' (VASP).
Perkiraan metode pendinginan anti-pelarut sering digunakan untuk melapisi perovskit dalam proses satu langkah dari larutan prekursor.
Sebagian besar perovskit canggih didasarkan pada oksida konduktif / ETL / Perovskit / HTL / struktur logam yang transparan, di mana ETL dan HTL masing-masing mengacu pada lapisan transpor-elektron dan lapisan-transpor. Lapisan transport lubang yang umum termasuk Spiro-OMeTAD atau PEDOT : PSS , dan layer transport elektron yang khas termasuk TiO 2 atau SnO 2 . Memahami dan mengoptimalkan tingkat energi dan interaksi berbagai bahan pada antarmuka ini menawarkan bidang penelitian yang sangat menarik yang masih dalam diskusi.
Masalah utama untuk pembuatan perangkat praktis sel surya perovskite adalah kualitas dan ketebalan film. Lapisan perovskit pemanen cahaya (aktif) harus tebalnya beberapa ratus nanometer - beberapa kali lebih banyak daripada fotovoltaik organik standar , dan membuat lapisan tebal seperti itu dengan keseragaman tinggi bisa jadi sulit. Kecuali jika kondisi pengendapan dan suhu anil dioptimalkan, permukaan kasar dengan cakupan yang tidak lengkap akan terbentuk. Bahkan dengan optimasi yang baik, masih akan ada kekasaran permukaan yang tersisa. Oleh karena itu, lapisan antarmuka yang lebih tebal dari yang biasanya digunakan juga diperlukan. Peningkatan kualitas film telah dicapai melalui berbagai metode. Salah satu metode tersebut adalah penambahan sejumlah kecil asam, seperti asam hidroodik atau hidrobromik, yang sebelumnya dibahas dalam posting tentang kemurnian kelarutan MAI vs timbal klorida , atau kelebihan prekursor iodida timbal.
Melalui upaya penelitian yang luas, efisiensi lebih dari 22% telah dicapai menggunakan pelapisan spin , dan efisiensi tinggi juga telah dicapai dengan menggunakan teknik pemrosesan solusi lainnya (seperti pelapisan slot-die ). Ini menunjukkan bahwa pemrosesan solusi skala besar perovskit sangat layak.
Masa Depan Perovskit
Penelitian di masa depan ke dalam perovskites kemungkinan akan fokus pada pengurangan rekombinasi melalui strategi seperti pasif dan pengurangan cacat, serta meningkatkan efisiensi melalui inklusi perovskite 2D dan material antarmuka yang lebih optimal. Lapisan ekstraksi muatan cenderung untuk beralih dari bahan organik ke anorganik, untuk meningkatkan efisiensi dan stabilitas. Meningkatkan stabilitas dan pengurangan dampak lingkungan dari timbal cenderung menjadi bidang minat yang signifikan.
Sementara komersialisasi sel surya perovskit mandiri masih menghadapi kendala dalam hal fabrikasi dan stabilitas, penggunaannya dalam tandem c-Si / sel perovskite telah berkembang pesat (dengan efisiensi di atas 25% tercapai) dan kemungkinan perovskit pertama kali akan melihat pasar PV sebagai bagian dari struktur ini. Selain matahari, masih ada potensi signifikan untuk penggunaan perovskit dalam aplikasi lain, seperti dioda pemancar cahaya dan ingatan resistif.
Panduan Video Fabrikasi Perovskite
Bagi mereka yang baru memulai penelitian perovskite mereka, kami telah menghasilkan panduan video yang menunjukkan seluruh proses pembuatan dan pengukuran photovoltaics perovskite. Di laboratorium kami sendiri, kami telah mencapai efisiensi lebih dari 11% menggunakan rutin fabrikasi khusus ini. Video di bawah ini menampilkan model lama dari Ossila Spin Coater - yang dihentikan modelnya - untuk melihat model saat ini, Anda dapat mengunjungi halaman produk di sini .
Produk Ossila untuk Sel Surya Perovskite
Platform Prototipe Sel Surya pemenang penghargaan Ossila memberikan aplikasi ilmiah dan dampak teladan dalam penelitian sel surya. Ini adalah koleksi substrat, bahan, dan peralatan uji yang koheren sebagai bagian dari arsitektur referensi fotovoltaik standar kinerja tinggi. Ini memungkinkan para peneliti untuk menghasilkan sel surya berkualitas tinggi yang berfungsi penuh yang dapat digunakan sebagai data dasar yang andal.
Sebagai peneliti dan ilmuwan sendiri, kami memahami betapa menyita banyak waktu untuk memperoleh keahlian atas semua bahan, proses, dan teknik yang diperlukan untuk menghasilkan perangkat berkualitas tinggi - dan bagaimana meskipun upaya terbaik Anda, kadang-kadang dapat menyebabkan tidak konsisten dan tidak -Hasil yang dapat diproduksi kembali.
Kami mengembangkan platform ini dengan tujuan memungkinkan Anda untuk fokus pada penelitian Anda (alih-alih merancang / sumber semua komponen Anda sendiri) dan mereplikasi baseline kinerja. Manfaat signifikan dari platform ini adalah penyediaan substrat ITO pra-pola dan peralatan pemrosesan throughput tinggi - menghasilkan peningkatan signifikan dalam tingkat produksi Anda untuk perangkat sel surya - sehingga membantu Anda mengumpulkan lebih banyak data, lebih cepat. Dengan demikian, lebih banyak jenis bahan baru atau variasi arsitektur dapat diuji dan lebih banyak data statistik dapat dikumpulkan - memastikan konsistensi dan akurasi.
Pada tingkat paling dasar, sebagian besar sel surya berbasis perovskit didasarkan pada substrat kaca dilapisi oksida konduktif transparan dengan katoda logam yang diuapkan dan enkapsulasi atas. Dengan demikian, infrastruktur substrat dan material perovskite kami yang ada sudah digunakan dalam perangkat perovskite yang diproses dengan solusi yang berkinerja tinggi. Epoksi enkapsulasi standar kami juga sangat cocok untuk kaca laminasi atau lapisan penghalang lainnya - seperti yang digunakan dalam kertas Nature 2014 milik Snaith.
Ossila Spin Coater secara rutin digunakan untuk pengendapan antarmuka dan lapisan aktif kami dengan akurasi tinggi dan operasi sederhana.
Pendamping yang sangat berguna untuk Spin Coater (gambar di atas) adalah Pompa Syringe Ossila . Dapat digunakan untuk pengeluaran otomatis dan pendinginan lapisan perovskite kami untuk mendapatkan film berkualitas tinggi. Rekan-rekan akademis kami juga telah membuat beberapa kemajuan menarik pada sel surya perovskit olahan-solusi melalui lapisan semprot ke substrat standar kami. Selanjutnya, sel surya perovskit dikarakterisasi menggunakan Ossila Solar Cell IV Test System , yang secara otomatis menghitung metrik perangkat dan dapat melakukan pengukuran stabilitas.
I101 Perovskite tinta tersedia dari Ossila. Ini dikemas sebagai 10 botol individu yang mengandung 0,5 ml larutan. Ini mampu melapisi hingga 160 media. I101 juga dapat dibeli dalam jumlah besar (30 ml), dengan diskon 25% dibandingkan dengan ukuran pesanan standar kami.
Selama beberapa bulan terakhir kami juga telah bekerja dengan kolaborator akademis kami untuk membawa lebih banyak produk berbasis perovskite ke pasar, termasuk: Methylammonium Iodide dengan kemurnian tinggi, Methylammonium Bromide , Formamidinium Iodide , dan Formamidinium Bromide. Kami juga telah merilis set tinta perovskit pertama kami, yang pertama adalah I101 (MAI: PbCl 2 ), dirancang untuk diproses di udara dan telah menunjukkan efisiensi di laboratorium kami hingga 11,7%. Tinta kedua kami, I201 (MAI: PbCl 2 : PbI 2 ) adalah untuk mulrasi untuk diproses dalam atmosfer nitrogen, dan sejauh ini kami telah melihat efisiensi hingga 11,8%. Kedua tinta dirancang untuk membantu pelanggan kami mencapai efisiensi tinggi dengan sangat cepat ketika pertama kali memulai dengan penelitian perovskites mereka. Kami menyertakan rutinitas pemrosesan yang dioptimalkan dengan kedua tinta untuk memaksimalkan hasil.
