ピペリジニウム塩はペロブスカイト太陽電池の安定性を高めます

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ビデオ: ペロブスカイト太陽電池を低温・溶液プロセスで実現 2022, 12月
ピペリジニウム塩はペロブスカイト太陽電池の安定性を高めます
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Anonim
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材料科学者は、タンデムソーラーモジュールの上部として使用できるワイドギャップペロブスカイト太陽電池の安定性と効率を改善しました。ペロブスカイト層に置換ピペリジニウム塩を添加すると、ヨウ素アニオンの分子状ヨウ素への酸化が防止され、1000時間の動作後に太陽電池の効率が95%維持されます。研究結果はジャーナルScienceに掲載されています。

タンデムソーラーモジュールは、上下に配置された2つの半導体太陽電池で構成されています。まず、太陽ビームはバンドギャップが広い上部半導体を通過し、そこで最も高いエネルギー(より短い波長)の光子が吸収されます。より低いエネルギーの光子は通過し、より低いバンドギャップでより低い半導体に吸収されます。したがって、タンデムアーキテクチャにより、太陽放射の全スペクトルを最も効率的に使用できます。

タンデムの下部にはシリコンが最もよく使用され、上部には、セシウムと臭素を添加した混合鉛ハロゲン化物をベースにしたワイドギャップペロブスカイト半導体が最適な材料の1つと見なされています。 2020年の初めに、シリコン-ペロブスカイトタンデムは29.1%の効率を達成しました。これは、シリコン太陽電池の記録的な効率よりもほぼ3%高くなっています。商用利用の場合、シリコン-ペロブスカイトタンデムはまだ安定性に欠けています。もちろん、このようなタンデムの「弱いリンク」はペロブスカイトです。シリコン太陽電池が数十年にわたって効率を維持する場合、最高のペロブスカイトは数千時間の動作にしか耐えられません。

ワイドギャップペロブスカイトに基づく太陽電池は、標準のペロブスカイトよりも安定していると考えられています。熱応力に非常に敏感なメチルアンモニウムは含まれていませんが、このようなデバイスには重大な欠点もあります。事実、モノリシックタンデムの製造では、ペロブスカイト太陽電池のすべての層を、完成したシリコン太陽電池(将来のタンデムの下部)に順次適用する必要があります。シリコン元素を損傷しないように、合成は摂氏200度を超えない温度で穏やかな条件下で実行されます。この温度は、ペロブスカイト活性層の結晶化には十分ですが、活性層の上下に配置され、太陽電池で電荷分離を提供するトランスポート層の堆積には必ずしも十分ではありません。酸化物輸送層は、結晶化するのに高温(摂氏400度以上)を必要とするタンデム太陽電池では使用できないため、安定性が低い可能性のある有機材料やポリマー材料に置き換える必要があります。

オックスフォード大学のHenryJ。Snaithが率いる5か国の材料科学者による新しい研究は、太陽電池の広いギャップのペロブスカイトの安定化に専念しています。これは、タンデムの上部のプロトタイプです。彼らは、異なる臭素含有量と異なるバンドギャップ(1.56から1.76電子ボルト)を持つCs0.17FA0.83Pb(I1-xBrx)3を準備しました。科学者たちは、電子輸送層としてフラーレン誘導体PCBMを使用し、正孔輸送層としてポリ(4-ブチルフェニル-ジフェニルアミン)(polyTPD)を使用しました。これらの材料はすべて低温(摂氏130度以下)で適用できるため、このような太陽電池はシリコン太陽電池の上に第2層として合成できます。

安定性を高めるために、研究者らは活性層に1-ブチル-1-メチル-ピペリジニウムテトラフルオロボレート(BMP)を添加しました-その量は0から0.3モルパーセントまで変化し、0.25パーセントの添加によって最適な効果が得られました。 BMP添加剤を含むセルは、実際にはかなり安定していることがわかりました。摂氏60度の温度で太陽光に1000時間さらした後でも、効率の95%を維持しましたが、添加剤を含まない同じセルでは、実験の最初の200時間。さらに、BMPの追加により、太陽電池の開回路電圧と効率が平均1.5%向上しました。

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ペロブスカイト太陽電池の構造

著者らは、BMPの補給により、ヨウ素アニオンの分子状ヨウ素への酸化が抑制され、それが結晶格子を離れることを示唆しました。このプロセスは、ペロブスカイト材料の分解を開始することがよくあります。この仮定を確認するために、BMP添加剤を含むまたは含まない2つのペロブスカイトフィルムをトルエン(ペロブスカイトを溶解しないがヨウ素をよく溶解する有機溶媒)の入った容器に入れ、摂氏60度の温度で太陽光を照射しました。

吸収分光法のデータによると、最初のケースの溶存ヨウ素の量はほぼ2分の1でした。研究者たちはこれについて次のように説明しました。まず、BMP添加剤はペロブスカイトの結晶化を改善します。したがって、このようなフィルムには、フレンケル欠陥(ヨウ素空孔と格子間ペア)が少なく、酸化しやすい可動ヨウ化物イオンの主な発生源である未反応のヨウ化鉛の残留物が少なくなります。第二に、BMPの存在は、ペロブスカイト材料を介した欠陥の拡散速度を低下させます。したがって、2つの格子間ヨウ素粒子(陰イオンまたはすでに酸化された形態)が互いに出会ってヨウ素分子を形成することはより困難です。ペロブスカイト結晶格子を残します。

さらに、ペロブスカイト太陽電池の安定性が低い理由であることが多いポリマー輸送層の使用は、逆に、安定性に有益であることが判明しました。酸化物輸送層を備えた太陽電池では、イオン性添加剤が活性層と輸送層の間の界面に蓄積することが多く、それらの濃度はペロブスカイト層の深さで低くなります。また、ポリマー輸送層を備えた太陽電池では、顕微鏡データによると、BMP添加剤がペロブスカイト層全体に均一に分布しているため、安定化効果が高まりました。

最近、オーストラリアの科学者は、メチルアンモニウム部分を含むペロブスカイト太陽電池をカプセル化する新しい方法に関する研究を発表しました。カプセル化の助けを借りて、ペロブスカイトを水分と酸素から保護するだけでなく、その熱安定性を高めることも可能であることが判明しました。

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