สารตกค้างตะกั่วไอโอไดด์ (PbI2) ต่อประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไกต์
เซลล์แสงอาทิตย์ Perovskite (PSC) ได้กลายเป็นเทคโนโลยีที่ปฏิวัติวงการอย่างรวดเร็วในภูมิทัศน์ของเซลล์แสงอาทิตย์ โดยมีประสิทธิภาพการแปลงพลังงานที่น่าประทับใจซึ่งตอนนี้แข่งขันกับซิลิกอนทั่วไป รายละเอียดที่ดูเหมือนเล็กน้อยในการประดิษฐ์การปรากฏตัวของตะกั่วไอโอไดด์ (PbI2) ตกค้างภายในฟิล์มเพอรอฟสไกต์ได้กลายเป็นหัวข้อหลักของการอภิปรายและการวิจัยอย่างน่าประหลาดใจ แม้ว่ามักถูกมองว่าเป็นสิ่งสกปรก แต่บทบาทของ PbI2 ที่ไม่ทําปฏิกิริยานั้นมีความแตกต่างกันมากโดยทําหน้าที่เป็นดาบสองคมที่สามารถเพิ่มประสิทธิภาพของอุปกรณ์เริ่มต้นหรือลดความเสถียรในระยะยาวได้อย่างรุนแรง บทความนี้จะเจาะลึกถึงปฏิสัมพันธ์ที่ซับซ้อนระหว่างสารตกค้าง PbI2 และลักษณะโดยรวมของเซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไกต์ตรวจสอบต้นกําเนิดผลกระทบเชิงบวกและเชิงลบและกลยุทธ์ต่อเนื่องในการจัดการการมีอยู่เพื่อประสิทธิภาพและความเสถียรของอุปกรณ์ที่เหมาะสมที่สุด
พลังงานแสงอาทิตย์ในฐานะแหล่งพลังงานสะอาดปัจจุบันเป็นหนึ่งในทางออกที่ดีที่สุดสําหรับวิกฤตพลังงาน เซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไสต์เป็นพื้นที่การวิจัยยอดนิยม ตะกั่วไอโอไดด์เป็นวัสดุสําคัญสําหรับแบตเตอรี่เพอรอฟสไกต์ใหม่
ฉงชิ่ง Yuhan Technology Co., Ltd. นําเสนอตะกั่วไอโอไดด์บริสุทธิ์พิเศษ วัสดุนี้มีความสามารถในการละลายที่ดีและทิ้งสารตกค้างน้อยลง คุณสมบัติเหล่านี้สามารถเพิ่มประสิทธิภาพของอุปกรณ์เซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไกต์。
บทนํา: คํามั่นสัญญาเพอรอฟสไกต์และปริศนา PbI2
- ขอ: เริ่มต้นด้วยการเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วของเซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไกต์และศักยภาพที่น่าประทับใจในการปฏิวัติพลังงานแสงอาทิตย์โดยเน้นประสิทธิภาพสูงสุดเป็นประวัติการณ์
- ปัญหา/ปริศนา: แนะนําบทบาทที่ดูเหมือนขัดแย้งกันของสารตกค้างตะกั่วไอโอไดด์ (PbI2) ซึ่งในตอนแรกถูกมองว่าเป็นสิ่งเจือปนที่เป็นอันตราย แต่ตอนนี้เข้าใจแล้วว่ามีผลที่ซับซ้อนและหลายแง่มุมต่อประสิทธิภาพของ PSC
- วัตถุประสงค์ของบทความ: ระบุจุดมุ่งหมายของบทความอย่างชัดเจนเพื่อสํารวจว่าสารตกค้างของ PbI2 มีอิทธิพลต่อประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไกต์อย่างไร ครอบคลุมทั้งการมีส่วนร่วมที่เป็นประโยชน์และข้อเสียที่เป็นอันตราย และสรุปกลยุทธ์ปัจจุบันสําหรับการจัดการเชิงกลยุทธ์และการเพิ่มประสิทธิภาพ
สารตกค้างตะกั่วไอโอไดด์ (PbI2) ในเซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไกต์คืออะไร?
- นิยาม: อธิบายว่าสารตกค้าง PbI2 (มักเรียกว่า PbI2 ตกค้างหรือ PbI2 ที่ไม่ทําปฏิกิริยา) หมายถึงวัสดุสารตั้งต้นของตะกั่วไอโอไดด์ที่ยังคงอยู่ในชั้นแอคทีฟเพรอฟสไกต์หลังจากกระบวนการสังเคราะห์ฟิล์ม
- กลไกการก่อตัว: ให้รายละเอียดวิธีการทั่วไปของสารตกค้าง PbI2 ลงเอยในฟิล์มเพอรอฟสไกต์ขั้นสุดท้าย:
- การแปลงที่ไม่สมบูรณ์: นี่เป็นกลไกหลัก โดยเฉพาะอย่างยิ่งในวิธีการประดิษฐ์สองขั้นตอน PbI2 จะถูกสะสมเป็นฟิล์มในขั้นต้น จากนั้นทําปฏิกิริยากับแอมโมเนียมฮาไลด์อินทรีย์ (เช่น เมทิลแอมโมเนียมไอโอไดด์ MAI หรือฟอร์มามิดีเนียมไอโอไดด์ FAI) หากปฏิกิริยาไม่สมบูรณ์ PbI2 ส่วนเกินจะยังคงอยู่
- การย่อยสลายของ Perovskite: ภายใต้สภาวะความเครียดเป็นเวลานาน (เช่น ความร้อนสูง ความชื้นมากเกินไป การสัมผัสกับแสงที่รุนแรง) วัสดุเพอรอฟสไกต์ (เช่น MAPbI3) สามารถย่อยสลายบางส่วนกลับเป็นสารตั้งต้นที่เป็นส่วนประกอบ รวมถึง PbI2 สิ่งนี้ก่อตัวเป็น PbI2 ในแหล่งกําเนิด
- สารตั้งต้นส่วนเกินโดยเจตนา: ในวิธีการสะสมแบบขั้นตอนเดียวบางวิธี PbI2 ส่วนเกินเล็กน้อยจะถูกเพิ่มลงในสารละลายสารตั้งต้นโดยเจตนา กลยุทธ์นี้ใช้เพื่อควบคุมจลนพลศาสตร์การตกผลึกหรือส่งเสริมผลประโยชน์บางอย่าง (กล่าวถึงในภายหลัง)
ด้าน “ดี”: ผลประโยชน์ของสารตกค้าง PbI2 ที่ควบคุมได้
เน้นผลกระทบเชิงบวกเมื่อมี PbI2 ในปริมาณที่เหมาะสมที่สุด
- การทู่ข้อบกพร่องที่ส่วนต่อประสานและขอบเขตเกรน:
- กลไก: อธิบายว่า PbI2 ในปริมาณที่รอบคอบมีแนวโน้มที่จะแยกส่วนต่อประสานระหว่างชั้นเพอรอฟสไกต์และชั้นการขนส่งประจรา (ETL/HTL) หรือที่ขอบเขตเกรนภายในฟิล์มเพอรอฟสไกต์อย่างไร
- บทบาทอิเล็กทรอนิกส์: PbI2 มีช่องว่างแบนด์ที่กว้างกว่า (ประมาณ 2.3 eV) เมื่อเทียบกับเพอรอฟสไกต์ทั่วไป (เช่น MAPbI3 ~1.6 eV) ความแตกต่างนี้สามารถสร้าง heterojunction Type I ที่ดีที่อินเทอร์เฟซเหล่านี้ การจัดตําแหน่งที่มีพลังนี้สามารถ “ทู่” หรือต่อต้านข้อบกพร่องของพื้นผิวที่เป็นอันตรายได้อย่างมีประสิทธิภาพ (เช่น ตําแหน่งว่างของตะกั่ว คั่นระหว่างหน้าไอโอดีน) ที่ทําหน้าที่เป็นศูนย์การรวมตัวของประจุที่ไม่แผ่รังสี
- ผลกระทบต่อประสิทธิภาพ: การทู่นี้นําไปสู่:
- แรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด (Voc) ที่สูงขึ้น เนื่องจากพาหะน้อยลงที่รวมตัวกันใหม่โดยไม่แผ่รังสี
- ปรับปรุง Fill Factor (FF) ซึ่งบ่งชี้ถึงประสิทธิภาพการรวบรวมประจุที่ดีขึ้น
- เพิ่มประสิทธิภาพการแปลงพลังงานโดยรวม (PCE)
- ปรับปรุงการตกผลึกและสัณฐานวิทยาของฟิล์ม:
- เอฟเฟกต์เทมเพลต: PbI2 จํานวนเล็กน้อยสามารถทําหน้าที่เป็นแม่แบบหรือนั่งร้าน เป็นแนวทางการเติบโตของเม็ดเพอรอฟสไกต์ที่ใหญ่กว่า สม่ําเสมอกว่า และเป็นผลึกสูง สิ่งนี้สามารถลดการก่อตัวของเมล็ดพืชขนาดเล็กที่ไม่พึงประสงค์และบริเวณที่ไม่มีสัณฐาน
- รูเข็มที่ลดลงและความหนาแน่นที่ดีขึ้น: การมี PbI2 ที่ควบคุมได้ดีสามารถช่วยอุดรูเข็มขนาดเล็กหรือปรับปรุงความหนาแน่นโดยรวมและความกะทัดรัดของฟิล์มเพอรอฟสไกต์ สิ่งนี้นําไปสู่การครอบคลุมที่ดีขึ้นลดเส้นทางการแบ่งและปรับปรุงการขนส่งของผู้ให้บริการ
- การสกัดประจุที่อํานวยความสะดวก (วิศวกรรมอินเทอร์เฟซ):
- เอฟเฟกต์สิ่งกีดขวาง: PbI2 ที่ส่วนต่อประสานชั้นการขนส่งเพอรอฟสไกต์/ประจุบางครั้งสามารถสร้างอุปสรรคพลังงานตื้นที่ช่วยขับไล่พาหะส่วนน้อย (เช่น รูที่อินเทอร์เฟซ ETL) นําทางพาหะส่วนใหญ่ไปสู่ชั้นการขนส่งตามลําดับได้อย่างมีประสิทธิภาพและลดการรวมตัวใหม่ของหน้าตา
ด้าน “ไม่ดี”: ผลเสียของสารตกค้าง PbI2 ที่มากเกินไปหรือไม่สามารถควบคุมได้
อภิปรายถึงผลเสียเมื่อมี PbI2 ในปริมาณที่มากเกินไปหรือไม่มีการจัดการ
- เพิ่มการรวมตัวของประจุ (หากไม่ทู่):
- กลไก: หาก PbI2 มีอยู่เป็นสิ่งสกปรกจํานวนมากหรือโดเมนขนาดใหญ่ แทนที่จะเป็นเลเยอร์ทู่ที่แปลเป็นภาษาท้องถิ่นอย่างแม่นยํา ก็สามารถทําหน้าที่เป็นจุดบกพร่องของตัวเองหรือสร้างส่วนต่อประสานที่เป็นอันตรายซึ่งนําไปสู่การรวมตัวของประจุที่ไม่ใช่การแผ่รังสี
- ผลกระทบต่อประสิทธิภาพ: ส่งผลให้:
- Voc ต่ําเนื่องจากวิถีที่ไม่แผ่รังสีเพิ่มขึ้น
- ลด FF เนื่องจากการเก็บประจุไม่ดี
- การลดลงโดยรวมของ PCE
- ฮิสเทรีซิสของอุปกรณ์:
- กลไก: PbI2 ส่วนเกิน (โดยเฉพาะที่อินเทอร์เฟซ) สามารถนําไปสู่การย้ายไอออน (เช่น I⁻) หรือสร้างสถานะกับดักที่นําไปสู่จลนพลศาสตร์การดักจับ/การดักจับช้า
- ผลกระทบ: สิ่งนี้แสดงให้เห็นถึงฮิสเทรีซิสแรงดันไฟฟ้ากระแส (JV) ที่โดดเด่น ซึ่งประสิทธิภาพที่วัดได้จะแตกต่างกันอย่างมากขึ้นอยู่กับทิศทางการสแกน
- เส้นทางการย่อยสลายและความเสถียรที่ลดลง:
- ความชื้นเข้า: PbI2 จํานวนมากมีความไวต่อความชื้นสูง การปรากฏตัวของมันเป็นทางเดินสําหรับน้ําเข้าชั้นเพอรอฟสไกต์เร่งการสลายตัวของวัสดุเพอรอฟสไกต์
- การย่อยสลายด้วยแสง: แม้ว่าเพอรอฟสไกต์เองจะไวต่อแสง แต่การมีอยู่ของ PbI2 อาจทําให้การย่อยสลายของแสงรุนแรงขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งภายใต้สภาวะชื้น ซึ่งทําหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาสําหรับการสลายตัว
- การเปลี่ยนแปลงระดับเสียง: การเปลี่ยนเฟสหรือการให้ความชุ่มชื้นของ PbI2 สามารถนําไปสู่การเปลี่ยนแปลงปริมาตรที่สร้างความตึงเครียดให้กับฟิล์มเพอรอฟสไกต์ทําให้เกิดรอยแตกและการหลุดลอก
- ผลกระทบ: ลดเสถียรภาพในระยะยาวลงอย่างมากภายใต้ความเครียดจากสิ่งแวดล้อม (ความร้อนความชื้นแสง) ซึ่งจํากัดการใช้งานจริง
- คุณภาพฟิล์มไม่ดี:
- ข้อบกพร่องทางสัณฐานวิทยา: โดเมน PbI2 ขนาดใหญ่ที่ไม่ทําปฏิกิริยาสามารถนําไปสู่ฟิล์มที่หยาบขึ้น รูเข็มมากขึ้น และสัณฐานวิทยาที่ไม่สม่ําเสมอ
- การสูญเสียการกระจาย: การตกตะกอน PbI2 ขนาดใหญ่อาจทําให้เกิดการกระเจิงของแสงภายในชั้นที่ใช้งานอยู่ ซึ่งช่วยลดปริมาณแสงที่เพอรอฟสไกต์ดูดซับ และทําให้กระแสแสง (Jsc) ลดลง
กลยุทธ์ในการจัดการสารตกค้าง PbI2: สู่ประสิทธิภาพ PSC ที่เหมาะสมที่สุด
อภิปรายแนวทางต่างๆ ที่นักวิจัยใช้เพื่อควบคุมและเพิ่มประสิทธิภาพปริมาณและตําแหน่งของสารตกค้าง PbI2
- การเพิ่มประสิทธิภาพวิธีการประดิษฐ์:
- วิศวกรรมตัวทําละลาย: การใช้สารเติมแต่งตัวทําละลายเฉพาะหรือการรวมกันของตัวทําละลาย (เช่น DMSO, DMF, GBL) เพื่อควบคุมความสามารถในการละลายของ PbI2 และจลนพลศาสตร์ของปฏิกิริยา
- การรักษาด้วยตัวทําละลาย: เวลาที่แม่นยําและการเลือกสารต้านตัวทําละลาย (เช่น คลอโรเบนซีน โทลูอีน) เพื่อกระตุ้นให้เกิดการตกผลึกอย่างรวดเร็วและลดสารตกค้างของ PbI2
- การสะสมด้วยไอช่วย: ให้การควบคุมปฏิกิริยาสารตั้งต้นและการก่อตัวของฟิล์มได้ดีขึ้น
- เงื่อนไขการหลอม: ปรับอุณหภูมิและเวลาในการหลอมให้เหมาะสมเพื่อให้แน่ใจว่าการแปลงสมบูรณ์โดยไม่ทําให้เกิดการเสื่อมสภาพ
- วิศวกรรมสารเติมแต่ง:
- กลยุทธ์ PbI2 ส่วนเกิน: การควบคุมการเติม PbI2 ส่วนเกินเล็กน้อยโดยเจตนาอย่างระมัดระวังเพื่อใช้ประโยชน์จากผลการทู่ที่เป็นประโยชน์ในขณะที่หลีกเลี่ยงสิ่งสกปรกจํานวนมากที่เป็นอันตราย
- สารเติมแต่งทู่อื่น ๆ : การใช้โมเลกุลอินทรีย์ (เช่น ฟีนิลเอทิลแอมโมเนียมไอโอไดด์ PEAI) หรือสารประกอบอนินทรีย์ที่สามารถทู่ข้อบกพร่อง ซึ่งมักจะช่วยลดความจําเป็นในการใช้สารตกค้าง PbI2 หรือทํางานร่วมกัน
- วิศวกรรมอินเตอร์เฟซ:
- การปรับเปลี่ยนเลเยอร์การขนส่ง: การออกแบบ ETL และ HTL ที่ลดการสะสมของ PbI2 ที่เป็นอันตรายที่อินเทอร์เฟซ หรือที่ช่วยทําให้เลเยอร์ PbI2 ที่เหลืออยู่ติดขัดอย่างมีประสิทธิภาพ
- การรักษาพื้นผิว: หลังการรักษาพื้นผิวฟิล์มเพอรอฟสไกต์เพื่อปรับเปลี่ยนหรือขจัด PbI2 ที่ไม่ต้องการหรือเพื่อสร้างชั้นทู่ที่เสถียรมากขึ้น
- เทคนิคการกําหนดลักษณะ:
- กล้องจุลทรรศน์ขั้นสูง (SEM, TEM): เพื่อแสดงภาพการกระจายและสัณฐานวิทยาของ PbI2
- การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ (XRD): เพื่อหาปริมาณการปรากฏตัวของผลึก PbI2
- โฟโตลูมิเนนซ์ (PL) สเปกโทรสโกปี: เพื่อประเมินความหนาแน่นของข้อบกพร่องและเส้นทางการรวมตัวใหม่
- อิมพีแดนซ์ไฟฟ้าเคมีสเปกโทรสโกปี (EIS): เพื่อทําความเข้าใจการถ่ายโอนประจุและจลนพลศาสตร์การรวมตัวใหม่
สรุป: ความสมดุลที่ละเอียดอ่อนของ PbI2 ในเซลล์แสงอาทิตย์ Perovskite
- สรุป: ย้ําว่าสารตกค้างตะกั่วไอโอไดด์ (PbI2) เป็นปัจจัยที่ซับซ้อนในเซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไกต์ ซึ่งทําหน้าที่เป็นดาบสองคม
- ตาชั่ง: เน้นย้ําถึงความจําเป็นอย่างยิ่งในการสร้างสมดุลที่ละเอียดอ่อนต่อหน้า โดยใช้ประโยชน์จากเอฟเฟกต์ทู่และการตกผลึกที่เป็นประโยชน์ในขณะที่หลีกเลี่ยงเส้นทางการย่อยสลายส่วนเกินที่เป็นอันตรายหรือไม่สามารถควบคุมได้อย่างเคร่งครัด
- แนวโน้มในอนาคต: เน้นย้ําว่าการวิจัยอย่างต่อเนื่องในด้านการผลิต วิศวกรรมเติมแต่ง และวิศวกรรมส่วนต่อประสานมีจุดมุ่งหมายเพื่อควบคุมการกระจาย PbI2 อย่างแม่นยําเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพต่อไป และที่สําคัญคือเพิ่มความเสถียรในระยะยาวของเซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไกต์
