บทนำเกี่ยวกับเซลล์แสงอาทิตย์ เพอรอฟสไกต์

บทนำเกี่ยวกับเซลล์แสงอาทิตย์ เพอรอฟสไกต์

โครงสร้างเซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไกต์แสดงไว้ในภาพด้านล่าง แกนกลางเป็นวัสดุดูดซับแสง ประกอบด้วยออร์แกโนเมทัลฮาไลด์ มีโครงสร้างผลึกเพอรอฟสไกต์ (เอบีเอ็กซ์₃) (โครงสร้างเซลล์ยูนิตแสดงในภาพที่แนบมา) ในโครงสร้าง เอบีเอ็กซ์₃ ของเพอรอฟสไกต์นี้เอคือกลุ่มเมทิลแอมโมเนียม (ช.₃เอ็นเอช₃⁺)บีเป็นอะตอมของโลหะตะกั่วและเอ็กซ์เป็นอะตอมของฮาโลเจน เช่น คลอรีน โบรมีน หรือไอโอดีน ปัจจุบันวัสดุเพอรอฟสไกต์ที่พบมากที่สุดในเซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไกต์ประสิทธิภาพสูงคือเมทิลแอมโมเนียมเลดไอโอไดด์ (ช.₃เอ็นเอช₃พีบีไอ₃). มี แบนด์แก๊ป ประมาณ1.5 โวลต์และมีค่าสัมประสิทธิ์การสูญพันธุ์สูง ฟิล์มที่มีความหนาเพียงไม่กี่ร้อยนาโนเมตรสามารถดูดซับแสงอาทิตย์ได้มากถึง 800 นาโนเมตร นอกจากนี้ วัสดุนี้ยังเตรียมได้ง่าย โดยสามารถผลิตฟิล์มที่สม่ำเสมอได้โดยการปั่นเคลือบสารละลายที่มี พีบีไอ₂ และ ช.₃เอ็นเอช₃I ที่อุณหภูมิห้อง คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้โครงสร้างแบบเพอรอฟสไกต์ ช.₃เอ็นเอช₃พีบีไอ₃ ไม่เพียงแต่สามารถดูดซับแสงที่มองเห็นและส่วนหนึ่งของสเปกตรัมใกล้อินฟราเรดเท่านั้น แต่ยังสร้างพาหะที่เกิดจากแสง ซึ่งมีโอกาสน้อยที่จะเกิดการรวมตัวใหม่ โดยมีการสูญเสียพลังงานน้อยที่สุด นี่คือเหตุผลพื้นฐานว่าทำไมเซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไกต์จึงมีประสิทธิภาพสูง

รูปภาพ: โครงสร้างผลึกของวัสดุเพอรอฟสไกต์ (โดยใช้ ช.₃เอ็นเอช₃พีบีไอ₃ เป็นตัวอย่าง) และแผนผังโครงสร้างเซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไกต์-

เนื่องจากโครงสร้างผลึกที่ค่อนข้างซับซ้อน ซึ่งกำหนดข้อกำหนดที่เข้มงวดเกี่ยวกับรัศมีของอะตอม (หรือกลุ่ม) ที่ตำแหน่ง A, B และ X องค์ประกอบของวัสดุดูดซับแสงเพอรอฟสไกต์จึงค่อนข้างคงที่ เมื่อไม่นานมานี้ กลุ่มวิจัยบางกลุ่มได้แทนที่กลุ่มเมทิลแอมโมเนียมที่ตำแหน่ง A ด้วยฟอร์มามิดิเนียม (เอฟเอ⁺), ลดช่องว่างแบนด์ลง1.48 โวลต์และบรรลุถึงโฟโตเคอร์เรนต์ที่สูงขึ้น สำหรับไซต์บีการแทนที่ตะกั่ว (พีบี) ด้วยดีบุก (ส.น.) ยังไม่มีรายงานการตอบสนองทางโฟโตอิเล็กทริก สำหรับไซต์ Xอะตอมเช่น คลอรีน โบรมีน หรือไอโอดีน สามารถนำมาใช้ได้ แต่เฉพาะเพอรอฟสไกต์ที่มีไอโอดีนเป็นส่วนประกอบเท่านั้นที่มีแบนด์แก๊ปที่เหมาะสมสำหรับประสิทธิภาพการแปลงสูง นอกจาก ช.₃เอ็นเอช₃พีบีไอ₃ แล้วช₃เอ็นเอช₃พีบีไอ₃₋ₓClₓยังมีการศึกษาอย่างกว้างขวาง ในขณะที่ยังคงรักษาโครงสร้างระดับพลังงานพื้นฐานไว้ การเจือคลอรีนในปริมาณเล็กน้อยสามารถปรับปรุงการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพโฟโตอิเล็กทริกที่เหนือกว่า อย่างไรก็ตาม เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุที่ทำจากซิลิคอน วัสดุดูดซับแสงเพอรอฟสไกต์ที่ใช้กันทั่วไปมีข้อเสีย เช่นช่วงการตอบสนองแสงที่ไม่เพียงพอ ความไวต่อน้ำและตัวทำละลายบางชนิด และมีตะกั่วโลหะหนัก. ดังนั้นการค้นพบวัสดุเพอรอฟสไกต์ด้วยแบนด์แก๊ปแคบลง เสถียรภาพทางเคมีที่ดีขึ้น และเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมีความหมายอย่างยิ่ง

การพัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์แบบฟิล์มบางเพอรอฟสไกต์มีต้นกำเนิดมาจากเซลล์แสงอาทิตย์ที่ไวต่อสีย้อม (DSSCs)เซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไกต์ได้รับการพัฒนาอย่างรวดเร็วด้วยเทคโนโลยีที่สะสมมาตลอดสองทศวรรษที่ผ่านมา ทั้งในด้าน ดีเอสเอสซี เซลล์แสงอาทิตย์อินทรีย์ และอื่นๆ เซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไกต์รุ่นแรกๆ ที่ใช้ช.₃เอ็นเอช₃พีบีไอ₃ เพื่อทำให้โฟโตอะโนด ติโอ₂ และอิเล็กโทรไลต์ I₃⁻/I⁻ ที่เป็นของเหลวมีความไวต่อแสง, บรรลุประสิทธิภาพเพียง3.8%(ปรับให้เหมาะสมเป็น 6.5%) อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความไม่เสถียรของ ช.₃เอ็นเอช₃พีบีไอ₃ ในอิเล็กโทรไลต์ I₃⁻/I⁻ ของเหลว ความเสถียรของเซลล์จึงต่ำ และการวิจัยในด้านนี้ยังมีจำกัด การแทนที่อิเล็กโทรไลต์ I₃⁻/I⁻ ของเหลวด้วยวัสดุขนส่งรูแบบโซลิดสเตต (เอชทีเอ็ม)(เช่น สไปโร-โอเมทาด, P3HT) ปรับปรุงประสิทธิภาพเซลล์ได้อย่างมาก โดยไปถึง16%ซึ่งมีประสิทธิภาพเหนือกว่าเซลล์แสงอาทิตย์ที่ไวต่อสีย้อมในระดับสูงสุด (13%) และแสดงให้เห็นถึงความเสถียรที่ดี

สร้างขึ้นจากสิ่งนี้H. สไนธ์ และคณะแทนที่ชั้นนั่งร้านที่มีรูพรุนของสารกึ่งตัวนำชนิด n ติโอ₂ ด้วยวัสดุฉนวน เช่นอัล₂O₃ หรือ ซีอาร์โอ₂และประกอบเซลล์แบบฟิล์มบางโดยใช้วัสดุขนส่งโฮล ซึ่งให้ประสิทธิภาพสูงเช่นกัน (ประสิทธิภาพสูงสุดที่รายงานคือ 15.9%) ผลลัพธ์นี้บ่งชี้ว่าวัสดุเพอรอฟสไกต์ ช.₃เอ็นเอช₃พีบีไอ₃ เองมีความสามารถในการนำอิเล็กตรอนที่ดี เซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไกต์ที่ใช้วัสดุฉนวนเป็นชั้นนั่งร้านนั้น โดยหลักการแล้วได้พัฒนาไปไกลกว่าแนวคิดการทำให้ไวต่อแสงแบบดั้งเดิม กลายเป็นเซลล์แสงอาทิตย์เฮเทอโรจังก์ชันโครงสร้างเหนือระดับเมโสสโคปิกนอกจากนี้ โดยการเอาชั้นนั่งร้านฉนวนออกและใช้ฟิล์มเพอรอฟสไกต์คุณภาพสูงที่สม่ำเสมอเซลล์เฮเทอโรจังก์ชันแบบระนาบยังสามารถบรรลุประสิทธิภาพสูงได้ (ประสิทธิภาพสูงสุดที่รายงานคือ 15.7%) ในทางกลับกัน แม้ไม่มีวัสดุขนส่งโฮล เซลล์เฮเทอโรจังก์ชันที่เกิดขึ้นระหว่างเพอรอฟสไกต์และ ติโอ₂ ที่มีรูพรุนก็มีประสิทธิภาพถึง 10.5% ในโครงสร้างนี้ เพอรอฟสไกต์ทำหน้าที่สองอย่างคล้ายกับเซลล์แสงอาทิตย์แบบจุดควอนตัมคอลลอยด์ คือ การดูดกลืนแสงและการลำเลียงโฮล นอกจากนี้ การใช้วัสดุเพอรอฟสไกต์เป็นชั้นดูดกลืนแสงในโครงสร้างเซลล์แสงอาทิตย์อินทรีย์โดยใช้อนุพันธ์ฟูลเลอรีน พีซีบีเอ็ม เป็นชั้นการขนส่งอิเล็กตรอนและ เปดอต:พีเอสเอส เป็นชั้นการขนส่งโฮล ประสิทธิภาพเกิน12%ประสบความสำเร็จอย่างสูง เหนือกว่าผลลัพธ์ที่ดีที่สุดของเซลล์แสงอาทิตย์อินทรีย์/โพลิเมอร์แบบดั้งเดิม ที่สำคัญคือ เซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไกต์ที่ใช้โครงสร้างเซลล์แสงอาทิตย์อินทรีย์สามารถผลิตได้มีความยืดหยุ่นและผลิตแบบม้วนต่อม้วนสำหรับการผลิตขนาดใหญ่ปัจจุบันเซลล์เพอรอฟสไกต์ที่มีความยืดหยุ่นดังกล่าวได้บรรลุประสิทธิภาพสูง9.2%-

รูปภาพ: โครงสร้างเซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไกต์-

ความจริงที่ว่าวัสดุเพอรอฟสไกต์สามารถบรรลุประสิทธิภาพที่เกิน10%โครงสร้างเซลล์แสงอาทิตย์ที่แตกต่างกันอย่างมากเหล่านี้ แสดงให้เห็นว่าในการใช้งานจริงในอนาคตโครงสร้างหลายอย่างอาจอยู่ร่วมกันและแข่งขันกันขณะเดียวกัน การวิจัยเชิงลึกและความเข้าใจเกี่ยวกับคุณสมบัติพื้นฐานของวัสดุและหลักการทำงานของเซลล์ก็มีความสำคัญอย่างยิ่งยวด สิ่งนี้ไม่เพียงแต่จะช่วยพัฒนาประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไกต์เท่านั้น แต่ยังให้ข้อมูลเชิงลึกสำหรับการพัฒนาโครงสร้างใหม่ที่ง่ายขึ้นและมีประสิทธิภาพมากขึ้นอีกด้วย