Användning av sällsynta jordartsmetaller för att övervinna begränsningar hos solceller
Perovskitsolceller har fördelar jämfört med nuvarande solcellsteknik. De har potential att vara mer effektiva, är lätta och kostar mindre än andra varianter. I en perovskitsolcell är perovskitlagret placerat mellan en transparent elektrod på framsidan och en reflekterande elektrod på baksidan av cellen. Elektrodtransport- och håltransportskikt infogas mellan katod- och anodgränssnitten, vilket underlättar laddningsuppsamling vid elektroderna. Det finns fyra klassificeringar av perovskitsolceller baserat på morfologi, struktur och lagersekvens för laddningstransportlagret: vanliga plana, inverterade plana, vanliga mesoporösa och inverterade mesoporösa strukturer. Tekniken har dock flera nackdelar. Ljus, fukt och syre kan orsaka deras nedbrytning, deras absorption kan vara ojämn och de har också problem med icke-strålande laddningsrekombination. Perovskiter kan korroderas av flytande elektrolyter, vilket leder till stabilitetsproblem. För att förverkliga deras praktiska tillämpningar måste förbättringar göras i deras effektomvandlingseffektivitet och driftsstabilitet. Emellertid har de senaste tekniska framstegen lett till perovskitsolceller med en verkningsgrad på 25,5 %, vilket innebär att de inte ligger långt efter konventionella kiselsolceller. För detta ändamål har sällsynta jordartsmetaller utforskats för tillämpningar i perovskitsolceller. De har fotofysikaliska egenskaper som övervinner problemen. Att använda dem i perovskitsolceller kommer därför att förbättra deras egenskaper, vilket gör dem mer användbara för storskalig implementering av rena energilösningar. Hur sällsynta jordartsmetaller hjälper perovskitsolceller Det finns många fördelaktiga egenskaper som sällsynta jordartsmetaller besitter som kan användas för att förbättra funktionen hos denna nya generation av solceller. För det första är oxidations- och reduktionspotentialerna i sällsynta jordartsmetaller reversibla, vilket minskar målmaterialets egen oxidation och reduktion. Dessutom kan tunnfilmsbildningen regleras genom tillsats av dessa element genom att koppla dem med både perovskiter och laddningstransportmetalloxider. Dessutom kan fasstruktur och optoelektroniska egenskaper justeras genom att substitutionellt bädda in dem i kristallgittret. Defektpassivering kan framgångsrikt uppnås genom att bädda in dem i målmaterialet antingen interstitiellt vid korngränserna eller på materialets yta. Dessutom kan infraröda och ultravioletta fotoner omvandlas till perovskit-responsivt synligt ljus på grund av närvaron av många energiska övergångsbanor i de sällsynta jordartsmetallerna. Fördelarna med detta är tvåfaldiga: det undviker att perovskiterna skadas av högintensivt ljus och utökar materialets spektrala responsområde. Användning av sällsynta jordartsmetaller förbättrar stabiliteten och effektiviteten hos perovskitsolceller avsevärt. Modifiera morfologier hos tunna filmer Som tidigare nämnts kan sällsynta jordartsmetaller modifiera morfologin hos tunna filmer bestående av metalloxider. Det är väl dokumenterat att morfologin hos det underliggande laddningstransportskiktet påverkar perovskitskiktets morfologi och dess kontakt med laddningstransportskiktet. Till exempel förhindrar dopning med sällsynta jordartsmetaller aggregering av SnO2-nanopartiklar som kan orsaka strukturella defekter, och mildrar även bildandet av stora NiOx-kristaller, vilket skapar ett enhetligt och kompakt kristalllager. Således kan tunna lagerfilmer av dessa ämnen utan defekter uppnås med dopning av sällsynta jordartsmetaller. Dessutom spelar byggnadsställningslagret i perovskitceller som har en mesoporös struktur en viktig roll i kontakterna mellan perovskit- och laddningstransportlagren i solcellerna. Nanopartiklarna i dessa strukturer kan uppvisa morfologiska defekter och ett flertal korngränser. Detta leder till negativ och allvarlig icke-strålande laddningsrekombination. Porfyllning är också ett problem. Dopning med sällsynta jordartsmetaller reglerar tillväxten av scaffolden och minskar defekter, vilket skapar justerade och enhetliga nanostrukturer. Genom att förbättra den morfologiska strukturen hos perovskit och laddningstransportskikt kan sällsynta jordartsmetalljoner förbättra den övergripande prestandan och stabiliteten hos perovskitsolceller, vilket gör dem mer lämpliga för storskaliga kommersiella tillämpningar. Vikten av perovskitsolceller kan inte underskattas. De kommer att ge överlägsen energiproduktionskapacitet till en mycket lägre kostnad än nuvarande kiselbaserade solceller på marknaden. Studien har visat att dopning av perovskit med sällsynta jordartsmetaller förbättrar dess egenskaper, vilket leder till förbättringar i effektivitet och stabilitet. Detta innebär att perovskitsolceller med förbättrad prestanda är ett steg närmare att bli verklighet.
Publiceringstid: 4 juli 2022 