dư lượng chì iốt (PbI2) đối với hiệu suất của pin mặt trời perovskite
Pin mặt trời Perovskite (PSC) đã nhanh chóng nổi lên như một công nghệ mang tính cách mạng trong bối cảnh quang điện, tự hào với hiệu suất chuyển đổi năng lượng ấn tượng hiện cạnh tranh với silicon thông thường. Một chi tiết dường như nhỏ trong quá trình chế tạo của chúng, sự hiện diện của dư lượng chì iodide (PbI2) trong màng perovskite, đã trở thành một chủ đề trung tâm của cuộc tranh luận và nghiên cứu một cách đáng ngạc nhiên. Mặc dù thường được coi là tạp chất, nhưng vai trò của PbI2 không phản ứng có nhiều sắc thái hơn, hoạt động như một con dao hai lưỡi có thể nâng cao hiệu suất ban đầu của thiết bị hoặc ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ ổn định lâu dài. Bài viết này sẽ đi sâu vào sự tương tác phức tạp giữa dư lượng PbI2 và các đặc tính tổng thể của pin mặt trời perovskite, kiểm tra nguồn gốc của nó, tác động tích cực và tiêu cực của nó và các chiến lược đang diễn ra để quản lý sự hiện diện của nó để đạt được hiệu quả và ổn định thiết bị tối ưu.
Năng lượng mặt trời, với tư cách là một nguồn năng lượng sạch, hiện là một trong những giải pháp tốt nhất cho cuộc khủng hoảng năng lượng. Pin mặt trời Perovskite là một lĩnh vực nghiên cứu phổ biến. Chì iodide là một vật liệu quan trọng cho pin perovskite mới.
Chongqing Yuhan Technology Co., Ltd. cung cấp chì iodide siêu tinh khiết. Vật liệu này có khả năng hòa tan tốt và để lại ít cặn hơn. Những phẩm chất này có thể nâng cao hiệu suất của các thiết bị pin mặt trời perovskite。
Giới thiệu: Lời hứa Perovskite và bí ẩn PbI2
- Móc: Bắt đầu với sự gia tăng nhanh chóng của pin mặt trời perovskite và tiềm năng ấn tượng của chúng trong việc cách mạng hóa năng lượng mặt trời, làm nổi bật hiệu quả kỷ lục của chúng.
- Vấn đề/bí ẩn: Giới thiệu vai trò dường như nghịch lý của dư lượng chì iodide (PbI2) – ban đầu được coi là một tạp chất bất lợi, nhưng bây giờ được hiểu là gây ra các tác động phức tạp, nhiều mặt đối với hiệu suất PSC.
- Mục đích của bài viết: Nêu rõ mục đích của bài viết là khám phá cách dư lượng PbI2 ảnh hưởng đến hiệu suất của pin mặt trời perovskite, bao gồm cả những đóng góp có lợi và nhược điểm bất lợi của nó, đồng thời phác thảo các chiến lược hiện tại để quản lý và tối ưu hóa chiến lược của nó.
Cặn chì iodide (PbI2) trong pin mặt trời Perovskite là gì?
- Định nghĩa: Giải thích rằng dư lượng PbI2 (còn thường được gọi là dư PbI2 hoặc PbI2 chưa phản ứng) đề cập đến vật liệu tiền chất chì iodide vẫn còn trong lớp hoạt động perovskite sau quá trình tổng hợp màng.
- Cơ chế hình thành: Chi tiết các cách phổ biến của dư lượng PbI2 kết thúc trong màng perovskite cuối cùng:
- Chuyển đổi không hoàn chỉnh: Đây là cơ chế chính, đặc biệt là trong các phương pháp chế tạo hai bước. PbI2 ban đầu được lắng đọng dưới dạng màng, và sau đó phản ứng với amoni halogen hữu cơ (ví dụ: methylammonium iodide, MAI, hoặc formamidinium iodide, FAI). Nếu phản ứng không hoàn toàn, PbI2 dư thừa vẫn còn.
- Sự suy thoái Perovskite: Trong điều kiện ứng suất kéo dài (ví dụ: nhiệt độ cao, độ ẩm quá cao, tiếp xúc với ánh sáng mạnh), vật liệu perovskite (như MAPbI3) có thể phân hủy một phần trở lại thành tiền chất cấu thành của nó, bao gồm cả PbI2. Điều này tạo thành PbI2 tại chỗ.
- Tiền chất dư thừa có chủ ý: Trong một số phương pháp lắng đọng một bước, một lượng PbI2 dư thừa một chút được cố ý thêm vào dung dịch tiền chất. Chiến lược này được sử dụng để kiểm soát động học kết tinh hoặc thúc đẩy một số tác dụng có lợi nhất định (thảo luận sau).
Mặt “tốt”: Tác dụng có lợi của dư lượng PbI2 được kiểm soát
Làm nổi bật các tác động tích cực khi PbI2 hiện diện với lượng tối ưu, có kiểm soát.
- Thụ động khiếm khuyết tại các giao diện và ranh giới hạt:
- Máy móc: Giải thích cách một lượng PbI2 khôn ngoan có xu hướng ưu tiên tách biệt với các giao diện giữa lớp perovskite và các lớp vận chuyển điện tích (ETL / HTL) hoặc tại ranh giới hạt trong chính màng perovskite.
- Vai trò điện tử: PbI2 có khoảng cách dải rộng hơn (khoảng 2,3 eV) so với các perovskite điển hình (ví dụ: MAPbI3 ~ 1,6 eV). Sự khác biệt này có thể tạo ra một mối nối dị loại I thuận lợi tại các giao diện này. Sự liên kết năng lượng này có thể “thụ động” hoặc vô hiệu hóa các khuyết tật bề mặt bất lợi (ví dụ: chỗ trống chì, kẽ iốt) hoạt động như các trung tâm tái tổ hợp điện tích không bức xạ.
- Tác động đến hiệu suất: Sự thụ động này dẫn đến:
- Điện áp hở mạch (Voc) cao hơn, vì ít sóng mang kết hợp lại không bức xạ hơn.
- Hệ số lấp đầy (FF) được cải thiện, cho thấy hiệu quả thu thập điện tích tốt hơn.
- Nâng cao hiệu quả chuyển đổi năng lượng tổng thể (PCE).
- Cải thiện kết tinh và hình thái màng:
- Hiệu ứng tạo mẫu: Một lượng nhỏ PbI2 có thể hoạt động như một khuôn mẫu hoặc giàn giáo, hướng dẫn sự phát triển của các hạt perovskite lớn hơn, đồng đều hơn và có tinh thể cao. Điều này có thể làm giảm sự hình thành các hạt nhỏ hơn không mong muốn và các vùng vô định hình.
- Giảm lỗ kim và cải thiện mật độ: Sự hiện diện của PbI2 được kiểm soát tốt có thể giúp lấp đầy các lỗ kim cực nhỏ hoặc cải thiện mật độ tổng thể và độ nhỏ gọn của màng perovskite. Điều này dẫn đến phạm vi phủ sóng tốt hơn, giảm đường đi shunt và cải thiện vận chuyển tàu sân bay.
- Chiết xuất điện tích được tạo điều kiện thuận lợi (Kỹ thuật giao diện):
- Hiệu ứng rào cản: PbI2 tại các giao diện lớp vận chuyển perovskite / điện tích đôi khi có thể tạo ra một rào cản năng lượng nông giúp đẩy lùi các hạt mang thiểu số (ví dụ: lỗ ở giao diện ETL), hướng dẫn hiệu quả các hạt mang đa số đến các lớp vận chuyển tương ứng của chúng và giảm sự tái tổ hợp bề mặt.
Mặt “xấu”: Tác động bất lợi của dư lượng PbI2 dư thừa hoặc không kiểm soát được
Thảo luận về những hậu quả tiêu cực khi PbI2 có mặt với số lượng quá mức hoặc không được kiểm soát.
- Tăng khả năng tái tổ hợp điện tích (nếu không thụ động):
- Máy móc: Nếu PbI2 tồn tại dưới dạng tạp chất khối hoặc miền lớn, thay vì các lớp thụ động cục bộ chính xác, nó có thể hoạt động như vị trí khuyết tật của chính nó hoặc tạo ra các giao diện bất lợi dẫn đến tái tổ hợp điện tích không bức xạ.
- Tác động đến hiệu suất: Điều này dẫn đến:
- Voc thấp hơn do tăng các con đường không bức xạ.
- Giảm FF do thu phí kém.
- Giảm tổng thể PCE.
- Độ trễ của thiết bị:
- Máy móc: PbI2 dư thừa (đặc biệt là ở các giao diện) có thể góp phần vào sự di chuyển ion (ví dụ: I⁻) hoặc tạo ra các trạng thái bẫy dẫn đến động học bẫy/khử bẫy chậm.
- Tác động: Điều này biểu hiện dưới dạng độ trễ dòng điện-điện áp (JV) nổi bật, trong đó hiệu suất đo được thay đổi đáng kể tùy thuộc vào hướng quét, khiến hiệu suất thiết bị khó định lượng chính xác.
- Con đường suy thoái và giảm độ ổn định:
- Độ ẩm xâm nhập: PbI2 số lượng lớn rất dễ bị ẩm. Sự hiện diện của nó cung cấp các con đường cho nước xâm nhập vào lớp perovskite, đẩy nhanh quá trình phân hủy vật liệu perovskite.
- Phân hủy quang học: Mặc dù bản thân perovskite có thể nhạy cảm với ánh sáng, nhưng sự hiện diện của PbI2 có thể làm trầm trọng thêm sự phân hủy quang học, đặc biệt là trong điều kiện ẩm ướt, hoạt động như một chất xúc tác cho sự phân hủy.
- Thay đổi âm lượng: Sự chuyển pha hoặc hydrat hóa PbI2 có thể dẫn đến sự thay đổi thể tích gây căng thẳng cho màng perovskite, gây ra các vết nứt và tách lớp.
- Tác động: Giảm đáng kể độ ổn định lâu dài dưới áp lực môi trường (nhiệt, độ ẩm, ánh sáng), hạn chế ứng dụng thực tế.
- Chất lượng phim kém:
- Khiếm khuyết hình thái: Các miền PbI2 lớn, không phản ứng có thể dẫn đến màng thô hơn, nhiều lỗ kim hơn và hình thái không đồng đều, tạo ra các đường đi và giảm hiệu suất của thiết bị.
- Tổn thất phân tán: Kết tủa PbI2 lớn có thể gây tán xạ ánh sáng trong lớp hoạt động, làm giảm lượng ánh sáng được perovskite hấp thụ và do đó làm giảm dòng quang (Jsc).
Chiến lược quản lý dư lượng PbI2: Hướng tới hiệu suất PSC tối ưu
Thảo luận về các phương pháp tiếp cận khác nhau mà các nhà nghiên cứu sử dụng để kiểm soát và tối ưu hóa số lượng và vị trí của dư lượng PbI2.
- Tối ưu hóa phương pháp chế tạo:
- Kỹ thuật dung môi: Sử dụng các chất phụ gia dung môi cụ thể hoặc kết hợp dung môi (ví dụ: DMSO, DMF, GBL) để kiểm soát độ hòa tan PbI2 và động học phản ứng.
- Xử lý chống dung môi: Thời gian chính xác và lựa chọn chất chống dung môi (ví dụ: chlorobenzene, toluene) để tạo ra sự kết tinh nhanh chóng và giảm thiểu dư lượng PbI2.
- Lắng đọng hỗ trợ hơi: Cung cấp khả năng kiểm soát tốt hơn phản ứng tiền chất và hình thành màng.
- Điều kiện ủ: Tối ưu hóa nhiệt độ và thời gian ủ để đảm bảo chuyển đổi hoàn toàn mà không gây ra sự xuống cấp.
- Kỹ thuật bồi đắp:
- Chiến lược PbI2 dư thừa: Kiểm soát cẩn thận việc bổ sung một lượng nhỏ PbI2 dư thừa để tận dụng tác dụng thụ động có lợi của nó đồng thời tránh các tạp chất khối lượng bất lợi.
- Các chất phụ gia thụ động khác: Sử dụng các phân tử hữu cơ (ví dụ: phenylethylammonium iodide, PEAI) hoặc các hợp chất vô cơ có thể thụ động hóa các khuyết tật, thường làm giảm nhu cầu về dư lượng PbI2 hoặc hoạt động hiệp đồng với nó.
- Kỹ thuật giao diện:
- Sửa đổi các lớp vận chuyển: Thiết kế ETL và HTL để giảm sự tích tụ PbI2 bất lợi tại các giao diện của chúng hoặc giúp thụ động hiệu quả bất kỳ lớp PbI2 còn sót lại nào.
- Xử lý bề mặt: Xử lý sau bề mặt màng perovskite để sửa đổi hoặc loại bỏ PbI2 không mong muốn hoặc để tạo ra một lớp thụ động ổn định hơn.
- Kỹ thuật mô tả đặc điểm:
- Kính hiển vi tiên tiến (SEM, TEM): Để hình dung sự phân bố và hình thái của PbI2.
- Nhiễu xạ tia X (XRD): Để định lượng sự hiện diện của tinh thể PbI2.
- Quang phổ phát quang (PL): Để đánh giá mật độ khuyết tật và con đường tái tổ hợp.
- Quang phổ trở kháng điện hóa (EIS): Để hiểu động học truyền điện tích và tái tổ hợp.
Kết luận: Sự cân bằng tinh tế của PbI2 trong pin mặt trời Perovskite
- Recap: Nhắc lại rằng dư lượng chì iodide (PbI2) là một yếu tố phức tạp trong pin mặt trời perovskite, hoạt động như một con dao hai lưỡi.
- Cân: Nhấn mạnh nhu cầu quan trọng để đạt được sự cân bằng tinh tế khi có sự hiện diện của nó – tận dụng các hiệu ứng thụ động và kết tinh có lợi của nó trong khi tránh nghiêm ngặt các con đường suy thoái dư thừa hoặc không kiểm soát được.
- Triển vọng tương lai: Nhấn mạnh rằng nghiên cứu đang diễn ra trong chế tạo, kỹ thuật phụ gia và kỹ thuật giao diện nhằm mục đích kiểm soát chính xác sự phân bố PbI2 để tăng hiệu quả hơn nữa và quan trọng là tăng cường độ ổn định lâu dài của pin mặt trời perovskite, mở đường cho việc thương mại hóa thành công của chúng.
