Perovskitne sončne celice spadajo v tretjo generacijo sončnih celic, ki je v zadnjih dveh desetletjih pritegnila veliko pozornosti. Njihova učinkovitost pretvorbe energije (PCE) danes dosega raven prevladujoče silicijeve tehnologije, vendar njihovo komercializacijo še vedno omejuje nezadostna dolgoročna stabilnost. Zaradi ionske narave perovskitov so ti materiali občutljivi na vplive okolja, kot so vlaga, kisik, svetloba in visoka temperatura. Zato je izboljšanje obratovalne stabilnosti perovskitnih sončnih celic postalo eden glavnih raziskovalnih izzivov, zlasti ker se njihove učinkovitosti približujejo teoretičnim mejam.
Doktorska raziskava se osredotoča na perovskitne sončne celice v konfiguraciji p-i-n z absorberjem na osnovi tipičnega FACs perovskita s kemijsko formulo FA0.83Cs0.17Pb(I0.83Br0.17)3. Celice FACs so znane po svoji robustnosti, zato so bile izbrane kot osrednji predmet raziskave. Analizirane sončne celice imajo invertirano (p-i-n) planarno strukturo s konfiguracijo plasti steklo/ITO/MeO-2PACz/FACs/C60/SnO2/Cu. Skupno je bilo izdelanih več kot 1500 celic. Referenčne celice so dosegle naslednje mediane vrednosti fotovoltaičnih parametrov: napetost odprtih sponk (VOC) 1,09 V, gostoto kratkostičnega toka (JSC) 19,9 mA/cm2, faktor polnitve (FF) 74,5 % in učinkovitost pretvorbe energije (PCE) 16,4 %.
Osrednji del doktorske disertacije predstavljajo trije objavljeni znanstveni članki. Prvi obravnava vpliv tankih plasti Al2O3, nanesene z metodo atomske depozicije (ALD). Raziskana je bila njena uporaba kot ultratanka pasivacijska plast na treh izbranih spojih ter kot zaščitna pokrivna plast za preprečevanje vdora vlage. Sistematično smo preučili vpliv debeline Al2O3 na spojih perovskit/C60, C60/SnO2 in SnO2/Cu. Ugotovili smo, da ultratanke plasti Al2O3 (1 do 2 nm) na spojih perovskit/C60 in C60/SnO2 izboljšajo učinkovitost oziroma odpornost proti vodi, medtem ko nanos na spoj SnO2/Cu povzroči opazen upad PCE. V primeru uporabe Al2O3 kot 30 nm debela pokrivna plast, se bistveno izboljšal odpornost proti vdoru vlage pri čemer se vrednost PCE ohrani. Izboljšanje odpornosti proti vdoru vode smo ovrednotili z vizualnim spremljanjem degradacije celic, potopljenih v vodo. Poleg tega se je dolgoročna stabilnost celic s pokrivno plastjo izboljšala za najmanj štirikrat v primerjavi z nezaščitenimi celicami.
Za dodatno izboljšanje dolgoročne stabilnosti smo preučili uporabo polimera parilea F-VT4 kot dodatnega zaščitnega sloja. Raziskali smo tri različne debeline plasti: 2, 5 in 15 µm. Kombinirana zaščita Al2O3/parilen je občutno izboljšala odpornost proti vlagi in podaljšala življenjsko dobo celic. Kot optimalna se je izkazala debelina 5 µm, ki je dosegla najboljše rezultate pri vseh izvedenih testih: testu potopitve v vodo, testu v okoljski komori in testu dolgoročne stabilnosti . V primerjavi z referenčnimi celicami, zaščitenimi samo z Al2O3, se je stabilnost izboljšala za 1350 %, 1000 % oziroma 300 %. Ugotovili smo tudi, da predebele plasti polimera povzročajo mehanske težave zaradi delaminacije.
Tretji članek podrobno obravnava dolgoročno stabilnost perovskitnih sončnih celic. V ta namen je bil v laboratoriju razvit namenski sistem z belimi LED-diodami (WLED), ki omogoča sočasno sledenje točki maksimalne moči (MPPT) za 144 sončnih celic. Stabilnost smo vrednotili z metriko t80, ki predstavlja čas, potreben, da moč celice pade pod 80 % svoje največje vrednosti. Na več kot 500 perovskitnih sončnih celicah smo izvedli obsežno statistično analizo, ki omogoča zanesljive zaključke na podlagi velikega števila vzorcev. Analizirali smo vpliv vlage, intenzitete svetlobe, električne napetosti in kompozicije perovskita. Z dolgoročnimi MPPT-meritvami smo potrdili, da je svetloba glavni dejavnik degradacije. Meritve fotoluminiscence so razkrile svetlobno inducirano fazno segregacijo halidnih ionov v perovskitu, kar povzroča zmanjšanje energijske reže in pospešeno degradacijo. Celice brez bromidnih ionov so dosegle tudi do petkrat daljše življenjske čase t80. Opazili smo tudi, da perovskit med staranjem hitreje degradira na električno neaktivnih območjih, kjer je material v režimu odprtih sponk. Pokazali smo linearno povezavo med časom t80 in napetostjo, aplicirano na celico med testiranjem stabilnosti. Testiranje velikega števila vzorcev je statistično potrdilo, da meritve dolgoročne stabilnosti izkazujejo velik raztros vrednosti, zaradi česar je pomembno poročanje popolnih podatkov, ne le rezultatov najboljših naprav.
V zadnjem poglavju smo raziskali vpliv različnih materialov, uporabljenih v posameznih plasteh sončne celice ter vpliv procesnih parametrov izdelave na dolgoročno stabilnost. Ugotovili smo pozitiven vpliv zamenjave bakrenih zadnjih elektrod s srebrnimi ter uporabe anizola ali toluena namesto običajno uporabljenega etil acetata. Po drugi strani prevelik presežek PbI2 pospešuje degradacijo celic. Uporaba nove molekule v funkciji plasti za transport vrzeli (4PADCB) poveča učinkovitost pretvorbe za približno 1 %, vendar lahko v določenih primerih poslabša dolgoročno stabilnost. Rezultati glede vpliva debeline ITO za zdaj še niso dokončni, zato bodo nekateri eksperimenti ponovljeni in dopolnjeni z dodatnimi analizami vpliva strukture celice in procesnih parametrov na stabilnost.
Doktorsko delo dokazuje, da je mogoče z ustreznim inženiringom spojev, premišljeno izbiro materialov in naprednimi metodami enkapsulacije izdelati stabilne in visoko učinkovite perovskitne sončne celice. Sistematičen, statistično podprt pristop omogoča boljše razumevanje degradacijskih mehanizmov ter ponuja praktične rešitve za podaljšanje življenjske dobe teh naprav. Predstavljeni rezultati pomembno prispevajo k približevanju perovskitnih sončnih celic komercialni uporabi in njihovi širši vključitvi v prihodnje fotovoltaične sisteme.
|