Высокоэффективные, низкозатратные перовскитные солнечные батареи: прогресс, вызовы и будущие направления

Аннотация

Перед лицом растущего глобального энергетического кризиса возобновляемые источники становятся все более критичными. Солнечная энергия, обширная и недорогая, остается наиболее перспективным кандидатом. Несмотря на десятилетия прогресса в высокопроизводительных фотоэлектрических (ФЭ) устройствах, высокая стоимость модулей ограничивает массовое внедрение. За последнее десятилетие спрос на дешевые солнечные батареи ускорил исследования по всему ФЭ спектру. Этот обзор фокусируется на недавних прорывах в низкозатратных, высокоэффективных перовскитных солнечных батареях (ПСБ), резюмируя ключевые разработки и передовые результаты.

Введение

Сегодня около 85% глобального энергопотребления приходится на ископаемое топливо, способствуя экологической деградации и рискам для здоровья. Прогнозируется, что глобальный спрос на энергию удвоится к 2050 г. В ответ возобновляемая энергетика — ветер, гидро, солнце — стала срочным приоритетом. В 2014 г. добавки возобновляемой генерационной мощности достигли 128 ГВ, с ветром 37%, солнцем ~33%, гидро >25% (Рис. 1a). Низкая стоимость и экологичность солнечной энергии стимулировали быстрый прогресс ФЭ исследований.

ФЭ технологии традиционно делят на три поколения: первое — облупковые (моно-c-Si, mc-Si), второе — тонкопленочные (a-Si, CdTe, CIGS, CuGaSe), третье — многосоединения, органические, красительно-сенсибилизированные, квантово-точечные устройства. Кремневые ФЭ зрелы, прирост КПД ограничен. III-V ячейки достигают высоких КПД, но по запредельной цене. Квантово-точечные ячейки обещают низкую стоимость и высокую производительность, но многие опираются на токсичные тяжелые металлы. Галидные перовскиты появились как трансформационный, низкозатратный материал, с КПД ростом с 3,8% в 2009 до 22,1% в 2016 г. Тем не менее, долгосрочная стабильность остается барьером к коммерциализации.

Этот обзор обрисовывает историю ПСБ, недавние прорывы в КПД, проблемы стабильности и стратегии интерфейсной инженерии.

Принцип и история перовскитных СБ

ПСБ комбинируют низкозатратные, высокоэффективные преимущества красительно-сенсибилизированных солнечных батарей (DSSC) с галидными перовскитными абсорберами. Поле возгорилось после прорыва O'Regan и Grätzel 1991 г. DSSC (~7% КПД), вдохновив первые перовскитные DSSC в 2009 г. Ранние устройства страдали от низкого КПД и плохой стабильности из-за жидких электролитов дырочных транспортных слоев (HTL).

В 2012 г. Kim, Grätzel и Park пионерствовали твердотельные мезо-суперструктурированные ПСБ с Spiro-MeOTAD и mp-TiO₂ как HTM и ETM, достигнув 9,7% КПД. Последующие достижения подняли КПД однопереходных ПСБ до 22,1% в 2016 г., приблизившись к 31,4% теоретическому пределу для CH₃NH₃PbI₃₋ₓClₓ.

Архитектура ПСБ типично включает ITO/FTO подложку, перовскитный активный слой, HTL, ETL, электроды. Два доминирующих архитектуры: мезо-суперструктурированные (MPSC) и планарные (PPSC). Принцип работы: поглощение света в перовските, генерация электрон-дырочных пар, извлечение зарядов ETM/HTM, сбор на электродах.

Высокоэффективные перовскитные солнечные батареи

Внутримолекулярный обмен

В июне 2015 г. Yang et al. ввели прямой внутримолекулярный обмен для выращивания высококачественных FAPbI₃ пленок, достигнув 20,1% КПД под AM 1.5 G. Процесс замещает DMSO молекулы, интеркалированные в PbI₂, формдинииодидом, давая (111)-ориентированные, крупнозернистые, бездефектные перовскитные слои.

Цезий-содержащие три-ионные перовскитные солнечные батареи

Saliba et al. продемонстрировали, что включение цезия в три-ионные перовскитные композиции (Csₓ(MA₀.₁₇FA₀.₈₃)₁₀₀₋ₓPb(I₀.₈₃Br₀.₁₇)₃) дает >21% КПД, улучшенную стабильность, сниженные фазовые примеси и более низкую чувствительность к обработке. Такие пленки остаются термически робастными и менее подвержены паровым растворителям, облегчая воспроизводимое крупномасштабное фаbрикацию.

Градиентные запрещенные зоны перовскитных солнечных батарей

В 2016 г. исследователи UC Berkeley и LBNL ввели градиентный запрещенный зон дизайн, комбинирующий CH₃NH₃SnI₃ и CH₃NH₃PbI₃₋ₓBrₓ слои, разделенные одноатомным h-BN монослоем. Тандемное устройство достигло пикового КПД 26%, со стационарной эффективностью около 21,7%. Архитектура захватывает почти весь видимый спектр, давая времязависимую производительность, стабилизирующуюся после ~5 мин освещения.

Стабильность перовскитных солнечных батарей

Несмотря на прирост КПД, ПСБ все еще сталкиваются с значительной деградацией под воздействием влаги, кислорода, УФ-экспозиции и термического стресса. Недавние исследования подсвечивают, что влажность — наиболее критический фактор, ускоряющий разложение в PbI₂ и летучий метиламмоний йодид.

Стратегии повышения стабильности включают низкотемпературные CeOₓ ETL, смешанные-ионные/смешанные-галидные перовскиты, углеродные электроды и передовые инкапсуляции. Например, CeOₓ ETL демонстрируют превосходную стабильность под световым замачиванием по сравнению с TiO₂, в то время как FA₀.₈₃Cs₀.₁₇Pb(I₀.₆Br₀.₄)₃ устройства сохраняют производительность под полноспектральным освещением без инкапсуляции.

Интерфейсная инженерия

Качество интерфейса управляет диссоциацией экситонов, переносом заряда и долговечностью устройства. Стратегии такие как хлор-закрытые TiO₂ коллоидальные нанокристаллы и изолирующие туннельные слои между перовскитом и ETL достигли >20% сертифицированных КПД и 90% сохранения производительности после 500 ч в точке максимальной мощности. Вычислительные исследования дальнейше элицидируют рекомбинационные пути на зарядо-селективных контактах и зернистых границах.

Заключение

Недавние достижения привели однопереходные ПСБ КПД выше 22%, приближаясь к кристаллическому кремниевым бенчмаркам. Галидные перовскиты теперь стоят как убедительная, низкозатратная альтернатива конвенциональным ФЭ технологиям. Тем не менее, долгосрочная стабильность остается ключевым препятствием. Продолжающий прогресс в архитектурах устройств, материальных композициях и интерфейсной инженерии обещает доставку высокостабильных, высокопроизводительных ПСБ, готовых к коммерческому развертыванию.