Improved surface hydrophobicity of self-assembled transport layers enables perovskite/silicon tandem solar cells with efficiency approaching 31%
Jing YangJinfeng WangBiao ShiYixin DongDongxue LiuSujuan XuQian HuangXiaona DuFu ZhangMiao YangYongcai HeBo HeXiaoning RuShengzhong LiuXixiang XuPengyang WangYing ZhaoXiaodan Zhang
0
Citation
17
Reference
10
Related Paper
Keywords:
Tandem
Tandem
Hybrid solar cell
Cite
Citations (125)
Οι υβριδικοί περοβσκίτες μετάλλου-αλογόνου θεωρούνται μια απο τις πιο υποσχόμενες αναδυόμενες ηλιακές τεχνολογίες με την ταχύτερη εξέλιξη και πιστοποιημένη απόδοση 25.7% ξεπερνώντας τις υπόλοιπες ηλιακές τεχνολογίες λεπτών υμενίων μέσα σε μόλις μια δεκαετία. Πέρα απο τις εκπλητικές οπτοηλεκτρονίκες τους ιδιοτήτες που συνδέονται με τις εντυπωσιακές υψηλές αποδόσεις, οι περοβσκίτες μετάλλου-αλογόνου έχουν την μοναδική ιδιότητα συντονισμού του ενεργειακού χάσματος μέσω διαφοροποίησης των στοιχείων που απαρτίζουν τη δομή. Ως εκ τούτου, καθίσταται δυνατή η βελτιστοποίηση του ενεργειακού χάσματος όχι μόνο για φωτοβολταϊκά κελιά μιας διόδου, αλλά και tandem (διπλής διόδου), τα οποία υπόσχονται αποδόσεις σημαντικά μεγαλύτερες απο τις αντίστοιχες κελιών μιας διόδου ανοίγωντας ένα λαμπρό μέλλον για την ηλιακή ενέργεια. Τα tandem ηλιακά κελιά απαιτούν τον συνδυασμό ενός υλικού-απορροφητή χαμηλού ενεργειακού χασματος και ενός υψηλού ενεργειακού χάσματος. Ως τώρα, οι υψηλότερες αποδόσεις έχουν επιτευχθεί με τη χρήση μιγμάτων μολύβδου (Pb) και κασσίτερου (Sn) για απορροφητές χαμηλού ενεργειακού χάσματος. Ωστόσο, πέρα απο τις υψηλές αποδόσεις, η μακροχρόνια αντοχή αποτελεί επίσης απαραίτητη προϋπόθεση για την εμπορευματοποίηση μιας φωτοβολταϊκής τεχνολογίας. Σε αυτή τη διδακτορική διατριβή, η ενδογενής σταθερότητα των περοβσκιτών μολύβδου-κασσίτερου μελετάται με σκοπό την ταυτοποίηση των κυριών παραγόντων που επηρεάζουν την αντοχή και σταθερότητα των υλικών, των μηχανισμών αποδόμησης και εν τέλει της πιο σταθερής δομής και σύστασης περοβσκίτη μολύβδου κασσίτερου για tandem ηλιακά κελιά περοβσκίτη. Αρχικά, στο 3ο κεφάλαιο περιγράφεται αναλυτικά το πλαίσιο και τα πλεονεκτήματα των tandem ηλιακών κελιών περοβσκίττη υπο το πρίσμα υλικών, κατασκευής, βιωσιμότητας και επιχειρηματικότητας. Παρόλα τα πλεονεκτήματα της συγκεριμένης τεχνολογίας, η οποία χτίζει προσδοκίες για μια πραγματική επανάσταση στον τομέα της ηλιακής ενέργειας, η σταθερότητα των συγκεκριμένων δομών εγείρει αμφιβολίες, και ειδικότερα στην περίπτωση tandem δομών, όπου ο χρόνος ζωής και των δύο στρωμάτων, χαμηλού και υψηλού ενεργειακού χάσματος, πρέπει να είναι παρόμοιος, καθώς η αποδόμηση ακόμα και ενός απο τα δύο κελιά, επηρεάζει σημαντικά την απόδοση της συνολικής δομής. Παρά το γεγονός οτι σημαντική πρόοδος έχει καταγραφεί για τους περοβσκίτες υψηλού ενεργειακού χάσματος, οι περοβσκίτες χαμηλού ενεργειακού φάσματος υστερούν σημαντικά στο κομμάτι της σταθερότητας, κάτι που πηγάζει από την εκ φύσεως τάση του κασσίτερου να οξειδώνεται. Στο 4ο κεφάλαιο, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα μιας συγκριτικής μελέτης της σταθερότητας των καλύτερων υποψήφιων δομών περοβσκίτη μολύβδου-κασσίτερου χαμηλού ενεργειακού χάσματος κάτω απο συνθήκες θερμικής και ατμοσφαιρικής καταπόνησης, εστιάζοντας στην επίδραση των στοιχειών και μοριών που αποτελούν τη δομή στους μηχανισμούς αποδόμησης. Αν και η πολυσθενής φύση του κασσίτερου αποτελεί την αχίλλειο πτέρνα των συγκεκριμένων δομών, δε είναι ακόμα ξεκάθαρο αν το κατιόν που καταλαμβάνει την Α-θέση στη δομή έχει επίδραση στην ενδογενή σταθερότητα αυτών των δομών. Ως εκ τούτου, δόθηκε ιδιαίτερη προσοχή στο ρολου του Α-κατιόντος στους μηχανισμούς αποδόμησης των περοβσκιτών μολύνδου-κασσίτερου. Στο 5ο κεφάλαιο μελετήθηκαν οι θεμελιώδεις αρχές της σύστασης στην αποδόμηση. Υπολογισμοί Density Functional Theory (DFT) πραγματοποιήθηκαν για μελετηθούν οι αλλαγές που προκαλούνται στη δομή λόγω διαφοροποίησεων στη σύσταση του περοβσκίτη σε συνδυασμό με την παρουσία οξυγόνου. Επίσης, μετρήσεις ηλεκτρικής αγωγιμότητας δύο ειδών πραγματοποιήθηκαν ώστε να καταγραφεί η εξέλιξη της οξειδωτικής αντίδρασης του κασσίτερου και να κατανοηθούν σε βάθος οι αλλαγές στις οπτολεκτρονικές ιδιότητες. Μετρήσεις n-XRF, πραγματοποιήθηκαν επιπροσθέτως για την μελέτη ύπαρξης ανομοιογενειών σε νανοκλίμακα, πριν ή μετά την έκθεση των περοβσκιτών στην ατμόσφαιρα που μπορεί να να επηρεάσει μακροπρόθεσμα την σταθερότητα αυτών την υλικών αλλά και την επίδραση της σύστασης. Τέλος, στο 6ο κεφάλαιο εναλλακτικές δομές περοβσκίτη μολύβδου-κασσίτερου χαμηλού ενεργειακού χάσματος μελετήθηκαν. Ειδικότερα, έχοντας ως κανόνα τον παράγοντα δομής, Α-κατιόντα μεγαλύτερης ιοντικής ακτίνας εισήχθησαν στη δομή και η επίδραση τους στις δομικές, οπτοηλεκτρονικές και μορφολογικές ιδιότητες μελετήθηκαν παράλληλα με την απόδοση ηλιακών κελιών και τη σταθερότητα τους μετά απο καταπόνηση. Αυτή η δουλειά δίνει έμφαση στην επίδραση της σύστασης στους μηχανισμούς αποδόμησης περοβσκιτών μολύβδου-κασσίτερου και ανοίγει το δρόμο για την εξερρεύνηση αντίστοιχων εναλλακτικών δομών. Πιο συγεκριμένα, το Α-κατιόν καθορίζει τη θερμική σταθερότητα των περοβσκιτών μολύβδου-κασσίτερου και έχει σημαντική επίδραση στους μηχανισμούς αποδόμησης σε ατμοσφαιρικές συνθήκες. Οι προσομοιώσεις με DFT επίσης επιβεβαίωσαν την επιρροή της σύστασης σε δομικές παραμορφώσεις και την ύπαρξη προτιμητέων σημειών εκκίνησης της αποδόμησης που εξαρτώνται απο τη σύσταση. Όσον αφορά τις οπτοηλεκτρονικές ιδιότητες, οι μετρήσεις αγωγιμότητας αποδείχθηκαν ένα σημαντικό εργαλείο για την καταγραφή της αποδόμησης αλλά και για την αξιολογηγη της αρχικής ποιότητας του υλικού, ενώ το Α-κατιόν αποδείχθηκε οτι όχι μόνο επηρεάζει τις αρχικές οπτοηλεκτρονικές ιδιότητες του υλικού αλλά και τον ρυθμό μεταβολής τους κατά την ατμοσφαιρική έκθεση. Προκαταρκτικά δεδομένα από μετρήσεις n-XRF έδειξαν την ύπαρξη ανομοιογενειών σε νανοκλίμακα, τόσο πριν όσο και έπειτα την έκθεση στον αέρα, ένα φαινόμενα άμαεσα συνδεδεμένο με τη σύσταση του υλικού, που μπορεί να διεγείρει αποδόμηση, διαχωρισμό φάσεων και επιδείνωση της απόδοσης των αντίστοιχων φωτοβολταïκών κελιών. Επιπρόσθετα, εναλλακτικοί περοβσκίτες μολύβδου-κασσίτερου χαμηλού ενεργειακού χάσματος σχεδιάστηκαν με την εισαγωγή Α-κατιόντων μεγαλύτερης ιοντικής ακτίνας στη δομή που οδήγησαν δομές με έντονο προτιμητέο προσανατολισμό και λειτουργικά ηλιακά κελιά. Αυτά τα αποτελέσματα συνεισφέρουν σημαντικά στην κατανόηση των κινητήριων δυνάμεων της αποδόμησης των συγκεκριμένων υλικών και του ρόλου του Α-κατιόντος στην σταθερότητα και την δομική ακεραίοτητα της δομής παρέχοντας σημαντικές πληροφορίες για την επιλογή συστάσεων και στρατηγικών που θα βελτιώσουν την σταθερότητα για την ανάπτυξη εμπορευματοποιήσιμων tandem ηλιακών κελιών περοβσκίτη.
Tandem
Tandem accelerator
Cite
Citations (0)
Tandem cells (or multi-junction cells) have been shown to be the most efficient architecture to achieve record performance for most photovoltaic technologies. In fact, tandem architectures allow devices to significantly broaden their overall absorbance spectra providing higher conversion efficiencies compared to individual cells. However, up to now, this has not been true for DSCs where record performances have been always obtained with single cells. This is mainly due to the difficulty of realizing integrated tandem DSC configurations where interlayer losses are minimized. Thus, we propose a new tandem architecture that overcomes the limitation presented so far by tandem DSCs, reporting an efficiency of 6.66% with wide room for improvement. Experimental results are corroborated with two-dimensional device simulations which allow us to understand the working mechanisms and to define optimization routes for this novel architecture. This work opens the way for further optimization of DSC technology, well beyond the actual limits, and also discloses ideas for new possible structures in the related fields of TiO2 tandem catalysts which are important for the realization of solar fuels and electrolyte based devices.
Tandem
Realization (probability)
Absorbance
Cite
Citations (20)
The first bottom-up solution-processed perovskite–perovskite tandem solar cell has been successfully fabricated via an optimized charge recombination layer comprising spiro-OMeTAD/PEDOT:PSS/PEI/PCBM:PEI. The as-fabricated tandem device delivers an open voltage of up to 1.89 V, close to the sum of the two perovskite subcells.
Tandem
Perovskite solar cell
Cite
Citations (166)
Tandem Architecture of Perovskite and Cu(In,Ga)(S,Se)2 Created by Solution Processes for Solar Cells
Integrating tandem solar cell architectures into devices can improve their power conversion efficiency (PCE) by overcoming the limited incident light absorption range of a single absorber and reducing the thermalization loss. Here, fabricated tandem solar cells are successfully fabricated employing different absorber materials, in this case perovskite and Cu(In,Ga)(S,Se) 2 (CIGS) as top and bottom cells, respectively. For cost effectiveness most tandem device manufacturing processes are achieved by solution‐based methods, which even provide the electrode layers. Using such a process to create a tandem device, a PCE of 8.34% for the semitransparent perovskite top solar cell and 2.48% for the CIGS bottom solar cell is obtained, resulting in an overall efficiency of 10.82% for the four‐terminal tandem device. This result highlights the potential of this solution‐based tandem configuration as a way to facilitate the creation of simple and inexpensive efficient light‐utilizing solar cell devices.
Tandem
Perovskite solar cell
Cite
Citations (17)
Tandem Solar Cells In article number 2100781, Wenzhong Shen and co-workers have proposed and proven that bifacial perovskite/c-Si tandem solar cells can not only improve the energy output, but also significantly reduce the Si thickness while maintaining the high efficiency. The photovoltaic performance of bifacial perovskite/c-Si tandem solar cells combining existing large-scale preparation technologies, was also optimized.
Tandem
Cite
Citations (3)
Tandem
Concentrator
Cite
Citations (52)
Perovskite/Organic Tandem Solar Cells In article number 2204347, Tingting Shi, Hin-Lap Yip, Man-Keung Fung, Yue-Min Xie, and co-workers aim to minimize the energy loss of perovskite/organic tandem solar cells (POTSCs) induced by compromised wide-bandgap perovskite sub-cells. An ionic liquid, methylammonium formate, is proposed to engineer the top and bottom all-inorganic perovskite (CsPbI2Br) interfaces, which leads to passivated perovskite interfacial defects with reconstructed surfaces, therefore, high-efficiency POTSCs are obtained.
Tandem
Cite
Citations (1)
Narrow bandgap photovoltaic materials play a crucial role in the development of perovskite tandem cells. The In 0.53 Ga 0.47 As with a bandgap of 0.77 eV and excellent optical properties, is a kind of excellent bottom cell material for high efficiency tandem cells, as proven by III-V tandem cells. Here, we design and simulate perovskite/ InGaAs 4-terminal and 2-termianl tandem cells by wxAMPS, with efficiencies reaching 17.85% and 22.71%, respectively.
Tandem
Cite
Citations (0)