Перовскитные солнечные элементы в последние годы достигли прогресса благодаря быстрому увеличению эффективности преобразования энергии (с 3% в 2006 году до 25.5% сегодня), что делает их более конкурентоспособными по сравнению с фотоэлектрическими элементами на основе кремния. Однако прежде чем они смогут стать конкурентоспособными коммерческими товарами, остается ряд проблем. technology.
Теперь команда инженерной школы Нью-Йоркского университета в Тандоне разработала процесс для решения одной из них, узкого места на критическом этапе, связанном с легированием органических дырок, транспортирующих дырки, в фотоэлементах. Исследование «CO2 легирование органических прослоек для перовскитных солнечных элементов ». природа.
В настоящее время процесс p-легирования, достигаемый за счет проникновения и диффузии кислорода в слой, транспортирующий дырки, является трудоемким (от нескольких часов до суток), что делает коммерческое массовое производство перовскитных солнечных элементов нецелесообразным.
Команда Tandon во главе с доцентом Андре Д. Тейлором и докторантом Джэмином Конгом вместе с Мигелем Модестино, доцентом кафедры химической и биомолекулярной инженерии, открыла метод значительного увеличения скорость этого ключевого шага за счет использования углекислого газа (CO2) вместо кислорода.
В перовскитных солнечных элементах обычно требуются легированные органические полупроводники в качестве прослоек для извлечения заряда, расположенных между фотоактивным слоем перовскита и электродами. Обычные способы легирования этих промежуточных слоев включают добавление бис (трифторметан) сульфонимида лития (LiTFSI), соли лития, к спиро-OMeTAD, π-сопряженному органическому соединению. Полупроводниковое широко используется для переноса дырок в перовскитных солнечных элементах. Затем начинается процесс легирования, подвергая пленки смеси спиро-OMeTAD: LiTFSI воздействию воздуха и света.
Этот метод требует не только времени, но и во многом зависит от условий окружающей среды. Напротив, Тейлор и его команда сообщили о быстром и воспроизводимом методе допирования, который включает барботирование раствора спиро-OMeTAD: LiTFSI с CO.2 под ультрафиолетом. Они обнаружили, что их процесс быстро увеличил электрическую проводимость промежуточного слоя в 100 раз по сравнению с проводимостью чистой пленки из смеси, которая также примерно в 10 раз выше, чем проводимость, полученная в процессе барботирования кислорода. Сотрудничество2 Обработанная пленка также позволила получить стабильные, высокоэффективные перовскитные солнечные элементы без какой-либо дополнительной обработки.
«Помимо сокращения времени изготовления и обработки устройства, применение предварительно легированного спиро-OMeTAD в перовскитных солнечных элементах делает элементы намного более стабильными», - пояснил Конг, ведущий автор. «Это отчасти потому, что большинство вредных ионов лития в растворе spiro-OMeTAD: LiTFSI были стабилизированы в виде карбонатов лития во время CO2 пузырящийся процесс ».
Он добавил, что карбонаты лития в конечном итоге отфильтровываются, когда исследователи наносят предварительно легированный раствор на слой перовскита. «Таким образом, мы можем получить довольно чистые легированные органические материалы для эффективных слоев, переносящих дырки».
Команда, в которую вошли исследователи из Samsung, Йельского университета, Корейского научно-исследовательского института химических технологий, Центра выпускников городского университета, Университета Вонкванг и Института науки и технологий Кванджу, также обнаружила, что CO2 Метод легирования может использоваться для легирования p-типа других π-сопряженных полимеров, таких как PTAA, MEH-PPV, P3HT и PBDB-T. По словам Тейлора, исследователи стремятся выйти за рамки типичных органических полупроводников, используемых для солнечных элементов.
«Мы считаем, что широкое применение CO2 легирование различных π-сопряженных органических молекул стимулирует исследования, начиная от органических солнечных элементов и заканчивая органическими светоизлучающими диодами (OLED) и органическими полевыми транзисторами (OFET), даже термоэлектрическими устройствами, которые требуют контролируемого легирования органических полупроводников », - пояснил Тейлор. , добавив, что, поскольку этот процесс потребляет довольно большое количество CO2 газ, его также можно рассматривать для CO2 изучение захвата и секвестрации в будущем.
«В то время, когда правительства и компании в равной степени стремятся сократить выбросы CO2 выбросы, если не обезуглероживание, это исследование предлагает путь для реакции на большие количества CO2 в карбонате лития, чтобы улучшить солнечные элементы следующего поколения, одновременно удаляя парниковый газ из атмосферы », - пояснил он, добавив, что идея этого нового подхода была нелогичной идеей исследования батарей, проведенного командой.
«Из нашей долгой истории работы с литий-кислородными / воздушными батареями мы знаем, что образование карбоната лития при контакте кислородных электродов с воздухом является большой проблемой, поскольку он истощает батарею ионов лития, что разрушает емкость батареи. Однако в этой реакции спиро-легирования мы фактически используем образование карбоната лития, который связывает литий и предотвращает его превращение в подвижные ионы, вредные для долгосрочной стабильности перовскита солнечная батарея. Мы надеемся, что этот СО2 Метод допинга может стать ступенькой для преодоления существующих проблем в органической электронике и за ее пределами ».