ペロブスカイトとペロブスカイト太陽電池の紹介

- May 21, 2019-

ソース:ossila.com

 

ペロブスカイト型太陽電池の急速な進歩により、太陽電池は世界の新星となり、学術界に大きな関心を寄せています。 それらの操作方法はまだ比較的新しいので、ペロブスカイト周辺の基本的な物理学と化学をさらに研究する絶好の機会があります。 さらに、過去数年間にわたって示されてきたように、ペロブスカイト配合物および製造手順の技術的改善は電力変換効率の著しい向上をもたらし、最近の装置は2018年6月の時点で23%以上に達した。


  • ペロブスカイトとは何ですか?

  • ペロブスカイト型太陽電池はなぜそれほど重要なのでしょうか。

  • Perovskitesはどのような問題に直面していますか?

  • ペロブスカイト太陽電池の作製と測定

  • ペロブスカイトの未来

  • ペロブスカイト製作ビデオガイド

    • ペロブスカイト型太陽電池用オシラ製品

    • 参考文献

    • 参考文献

     

    ペロブスカイトとは何ですか?

    用語「ペロブスカイト」および「ペロブスカイト構造」はしばしば交換可能に使用される。 技術的には、ペロブスカイトはウラル山脈で最初に発見され、Lev Perovski(ロシア地理学会の創設者)にちなんで名付けられた鉱物の一種です。 ペロブスカイト構造は、ペロブスカイト鉱物と同じ構造を持つ化合物です。

    真のペロブスカイト(鉱物)は、CaTiO 3の形のカルシウム、チタンおよび酸素で構成されています。 一方、ペロブスカイト構造とは、一般的な形のABX 3で、ペロブスカイト(鉱物)と同じ結晶構造を持つものです。 しかし、太陽電池の世界のほとんどの人は鉱物や地質学に関わっていないので、ペロブスカイトとペロブスカイト構造は同じ意味で使われています。

    ペロブスカイト格子配列を以下に説明する。 結晶学における多くの構造と同様に、それは複数の方法で表すことができる。 ペロブスカイトについて考える最も簡単な方法は、立方体の中心にあるタイプAの大きな原子または分子カチオン(正に帯電)としてです。 そのとき立方体の角は原子B(これもまた正に帯電したカチオン)によって占められ、立方体の面は負の電荷(アニオン)を有するより小さな原子Xによって占められる。


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    ABX 3の形の一般的なペロブスカイト結晶構造。 2つの構造は同等であることに注意してください。左側の構造は原子Bが<0,0,0>の位置になるように描かれ、右側の構造は原子(または分子)Aが<の位置になるように描かれます。 0,0,0="">位置 また、線は、結合パターンではなく結晶方位を表すためのガイドです。

    どの原子/分子が構造で使用されるかに応じて、ペロブスカイトは、超伝導、巨大磁気抵抗、スピン依存輸送(スピントロニクス)、および触媒特性を含む、興味深い一連の興味深い特性を持つことができます。 したがって、ペロブスカイトは物理学者、化学者、物質科学者にとってエキサイティングな遊び場です。

    ペロブスカイトは、2012年に初めてソリッドステート太陽電池に使用されました。 それ以来、ほとんどのセルは通常のペロブスカイト型ABX 3の 材料の以下の組み合わせを使用してきました

    • A =有機カチオン - メチルアンモニウム(CH 3 NH 3 + )またはホルムアミジニウム(NH 2 CHNH 2 +

    • B =大きな無機陽イオン - 通常は鉛(II)(Pb 2+

    • X 3 =わずかに小さいハロゲンアニオン - 通常は塩化物(Cl - )またはヨウ化物(I -



    これは比較的一般的な構造なので、これらのペロブスカイトベースのデバイスには、より一般的な種類の材料または特定の組み合わせのいずれかを指すことができる、さまざまな名前を付けることもできます。 この例として、1つの基本構造からいくつの名前を形成できるかを強調するために以下の表を作成しました。

     

    A

    B

    × 3

    オルガノ

    金属

    三ハロゲン化物(または三ハロゲン化物)

    メチルアンモニウム

    ヨウ化物(または三ヨウ化物)


    配管工事

    塩化物(または三塩化物)

    ペロブスカイトの「名前選択」テーブル :列A、B、またはX 3から任意の項目を1つ選択して、有効な名前を見つけてください。 例としては、有機鉛 - 塩化物、メチルアンモニウム - 金属 - 三ハロゲン化物、有機 - 鉛 - ヨウ化物などが挙げられる。

     

    各列を置き換えることができる他の多くの原子/分子があるので、表は、パラメータ空間が潜在的な材料/構造の組み合わせに対してどれほど広大であるかを示しています。 材料の組み合わせの選択は、光学的性質と電子的性質(例えば、バンドギャップとそれに見合った吸収スペクトル、移動度、拡散長など)の両方を決定するために非常に重要になります。 ラボでの組み合わせスクリーニングによる単純なブルートフォース最適化は、良いペロブスカイト構造を見つけるには非常に非効率的です。

    効率的なペロブスカイトの大部分は、IV族(具体的には鉛)の金属ハロゲン化物に基づいており、これを超える動きは困難であることが証明されています。 可能性のあるペロブスカイト構造の範囲を完全に調査するには、現在利用可能なものよりも詳細な知識が必要とされる可能性があります。 鉛系ペロブスカイト系太陽電池は、可視領域における強い吸収、長い電荷キャリア拡散長、調整可能なバンドギャップ、および製造の容易さ(高い欠陥許容度および低温で処理する能力)。

     

    ペロブスカイト型太陽電池はなぜそれほど重要なのでしょうか。

    ペロブスカイト型太陽電池が2012年以来短期間でこのように注目を集めている理由を示す2つの重要なグラフがあります。これらのグラフの最初のもの(NREL太陽電池効率チャートから得られたデータを使用)新興の太陽光発電研究技術と比較して、また伝統的な薄膜太陽光発電と比較して、近年の光デバイス。

    このグラフは、比較的短期間で他のほとんどの技術と比較して気象の上昇を示しています。 その進歩から4年以内に、ペロブスカイト太陽電池はテルル化カドミウム(CdTe)の効率と同等になり、これは40年以上前から出回っています。 さらに、2018年6月の時点で、それらは今や他のすべての薄膜の非濃縮技術 - CdTeおよび銅インジウムガリウムセレン(CIGS)を超えています。 太陽電池研究のためのより多くの資源とより良いインフラストラクチャーがここ数年で利用可能であると主張することができたが、ペロブスカイト太陽電池効率の劇的な上昇はまだ非常に重要で印象的です。


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    ペロブスカイト型太陽電池は、他の種類の太陽光発電と比較して驚異的な速度で電力変換効率が向上しています。 この図は実験室ベースの「ヒーロー細胞」を表しているにすぎませんが、大きな見込みがあります。

    下の2番目の重要なグラフは、ペロブスカイトと競合するさまざまな技術のバンドギャップと比較した開路電圧です。 このグラフは、光から電気への変換プロセスで光子のエネルギーがどれだけ失われるかを示しています。 標準的な励起子ベース、有機ベースの太陽電池の場合、この損失は吸収エネルギーの50%にもなることがありますが、ペロブスカイト型太陽電池は通常70%の光子エネルギー利用率を超え、さらに増加する可能性があります。 4

    これは最先端技術(GaAsなど)の価値に近づいていますが、大幅に低コストです。 結晶シリコン太陽電池は、おそらく効率とコストの点でペロブスカイトに最も近いコンパレータですが、最先端のGaAsよりも最大1000倍安価です。 5ペロブスカイトはこれよりさらに安くなる可能性があります。


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    一般的な単一接合太陽電池材料系に対する最大光子エネルギー利用率(開回路電圧Vocを光バンドギャップEgで割ったものとして定義される)。 NREL効率表に詳述されている最先端のセルから計算。


    Perovskitesはどのような問題に直面していますか?

    ペロブスカイトの分野における最大の問題は、現在、長期的な不安定性です。 これは、水、光、酸素などの外的要因を含む分解経路によるものであることが示されています。 また、材料の特性による、加熱時の劣化などの固有の不安定性の結果としても。   ペロブスカイト劣化の原因の概要については、Ossilaのガイドを参照してください。

    安定性を改善するためにいくつかの戦略が提案されてきたが、最も成功しているのは部品の選択を変えることである。 混合カチオン系を使用すること(例えば、ルビジウムまたはセシウムなどの無機カチオンを含めることによって)は、安定性と効率の両方を改善することが示されている。 20%を超える効率を達成した最初のペロブスカイト電池は、混合有機カチオン系を使用した。   そして最近発表された最高効率のシステムの多くは無機成分を使用しています。 疎水性のUV安定界面層への動きも安定性を改善しました - 例えば、 UV劣化の影響を受けやすい TiO 2 をSnO 2で 置き換えることにより 安定性も表面パッシベーションの使用により改善されました   そして、2D層状(Ruddlesden − Popper)ペロブスカイト(より優れた固有安定性を示すが性能は劣る)を従来の3Dペロブスカイトと組み合わせることによって。   これらの努力(より良いカプセル化のような要因と共に)   ペロブスカイトの最初の導入以来、ペロブスカイトの安定性は大幅に向上しており、寿命は業界標準を満たすまでに順調に進んでいます。 ペロブスカイト安定性を改善する方法の より詳細な議論については 、Ossilaのガイドを参照してください。


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    一般的な2Dペロブスカイト構造(右)と比較した従来の3Dペロブスカイト(左)。

    まだ完全に取り組まれていないもう一つの問題は、ペロブスカイト化合物における鉛の使用です。 それは鉛またはカドミウムベースの電池のいずれかに現在存在するものよりはるかに少ない量で使用されているけれども、商業的使用のための製品中の鉛の存在は問題が多い。 ペロブスカイトの環境への浸出による有毒な鉛化合物への暴露については依然として懸念があり、一部の研究ではペロブスカイトの大規模な実施には分解生成物の完全な封じ込めが必要であることが示唆されています。 対照的に、他のライフサイクルアセスメントでは、鉛の毒性影響はセル内の他の材料(カソードなど)と比較して無視できるほど小さいことがわかっています。

    ペロブスカイト型太陽電池(スズ系ペロブスカイトなど)に鉛代替品を使用する可能性もありますが、そのようなデバイスの電力変換効率は依然として鉛系デバイスよりかなり遅れており、スズ系ペロブスカイトの記録が残ります。現在は9.0%です。 いくつかの研究はまた、スズは鉛より実際にはより高い環境毒性を持っているかもしれないと結論を下しました、   そして他のより毒性の少ない代替物が必要とされる。

    性能面でのもう1つの大きな問題は、デバイスによく見られる電流 - 電圧ヒステリシスです。 ヒステリシスに影響を与える要因はまだ議論されていますが、それは最も一般的に高レベルの再結合と組み合わせた可動イオン移動に起因しています。 ヒステリシスを減らす方法には、セル構造の変更、表面の不動態化、ヨウ化鉛の含有量の増加などがあります。   組換えを減らすための一般的な戦略と同様に。


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    ペロブスカイト型太陽電池でよく見られる電流 - 電圧ヒステリシスの近似値

    真にワットあたりのコストを低く抑えるために、ペロブスカイト型太陽電池は、高効率、長寿命、そして製造コストの低さという、待望のトリオを達成する必要がありました。 これは他の薄膜技術ではまだ達成されていないが、ペロブスカイトベースのデバイスは現在これを達成するための大きな可能性を示している。


    ペロブスカイト太陽電池の作製と測定

    ペロブスカイトは一見異なる結晶学の世界から来ているが、それらは標準的なOPV(または他の薄膜)アーキテクチャに非常に容易に組み込むことができる。 最初のペロブスカイト型太陽電池は、固体色素増感型太陽電池(DSSC)をベースとしていたので、メソポーラスTiO 足場を使用した。 それ以来、多くのセルがこのテンプレートに従ったり、「メソ超構造」構造のAl 2 O 3足場を使用したりしてきましたが、製造に必要な高温工程とTiO 2の UV不安定性により、同様の「平面」構造が導入されました。他の薄膜電池に。 効率の点でメソポーラスセルより数年遅れた後、プレーナペロブスカイトは今やほぼ同じくらい効率的です。


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    従来型/反転型平面およびメソポーラス(従来型)ペロブスカイト電池の一般構造

    ペロブスカイトフィルム自体は、典型的には真空法または溶液法のいずれかによって処理される。 フィルムの品質はとても重要です。 最初に、真空蒸着フィルムが最良の装置を与えたが、この方法は無機(ハロゲン化鉛)成分と同時に有機(メチルアンモニウム)成分の同時蒸発を必要とし、多くの研究者に利用できない専門の蒸発室を必要とする。 。 結果として、溶液処理された装置はより単純で低温処理を可能にするので、溶液処理された装置を改良するための著しい努力があり、そしてこれらは現在効率的に真空蒸着セルと同等である。

    典型的には、ペロブスカイト太陽電池の活性層は、一段階または二段階プロセスのいずれかを介して堆積される。 一工程法では、前駆体溶液(例えば、CH 3 NH 3 IとPbI 2の混合物)を被覆し、次いでこれを加熱するとペロブスカイトフィルムに変換する。 これに対する変形は、前駆体溶液が極性溶媒中でコーティングされ、次いでスピンコーティングプロセス中に非極性溶媒によって急冷される「貧溶媒」法である。 最適な性能を得るためには、クエンチの正確なタイミングとクエンチング溶媒の量が必要です。 これを手助けするために、 Ossila Syringe Pumpを構築しました。これにより、このクエンチプロセスを使用して、社内の電力変換効率値を16%以上に引き上げることができました。

    二段階法では、ハロゲン化金属(例えばPbI 2 )および有機成分(例えばCH 3 NH 3 I)を別々の次のフィルムにスピンコートする。 あるいは、「真空支援溶液法」(VASP)として知られている、有機成分蒸気で満たされたチャンバ内で金属ハロゲン化物膜を被覆しアニールすることができる。


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    前駆体溶液から一段階法でペロブスカイトを被覆するためにしばしば使用される貧溶媒抑制法の近似。

    ほとんどの最先端のペロブスカイトは、透明導電性酸化物/ ETL /ペロブスカイト/ HTL /金属構造に基づいており、 ETLおよびHTLはそれぞれ電子輸送層および正孔輸送層を指す。 典型的な正孔輸送層には、 Spiro-OMeTADまたはPEDOT:PSSが含まれ 、そして典型的な電子輸送層には、TiO 2またはSnO 2が含まれる これらの界面でのエネルギーレベルと異なる材料の相互作用を理解し最適化することは、まだ議論されている非常にエキサイティングな研究分野を提供します。

    ペロブスカイト型太陽電池の実用的なデバイス製造に関する主な問題は、膜質および厚さである。 集光性(活性)ペロブスカイト層は、数百ナノメートルの厚さである必要があり、これは通常の有機光起電素子の数倍あり、そのような厚い層を高い均一性で形成することは困難である可能性がある。 堆積条件およびアニーリング 温度が最適化され ない限り、 不完全な被覆を有する粗面が形成されるであろう。 最適化しても、まだかなりの表面粗さが残っています。 従って、通常使用されるよりも厚い界面層もまた必要とされる。 フィルム品質の向上は、さまざまな方法で達成されています。 そのような方法の1つは、 MAIの純度対塩化鉛の溶解度 、または過剰のヨウ化鉛前駆体について先に論じた、ヨウ化水素酸または臭化水素酸などの少量の酸の添加である。

    広範な研究努力により、 スピンコーティングを用いて22%を超える効率が達成され、そして他の溶液処理技術( スロットダイコーティングなど )を用いても高い効率が達成された。 これは、ペロブスカイトの大規模な溶液処理が非常に実現可能であることを示唆している。

     

    ペロブスカイトの未来

    ペロブスカイトに関する今後の研究は、不動態化や欠陥の低減などの戦略による再結合の低減、ならびに2Dペロブスカイトおよびより最適化された界面材料の包含による効率の向上に焦点を当てる可能性があります。 電荷抽出層は、効率と安定性の両方を向上させるために、有機材料から無機材料へと移行する可能性が高い。 安定性の向上と鉛の環境への影響の低減は、どちらも重要な関心分野であり続ける可能性があります。

    独立型ペロブスカイト太陽電池の商品化は、製造および安定性に関して依然として困難に直面しているが、タンデムc-Si /ペロブスカイト電池におけるそれらの使用は急速に進歩している(25%を超える効率が達成された)。 そしてそれはペロブスカイトが最初にこの構造の一部としてPV市場を見るであろうということです。 太陽以外にも、発光ダイオードのような他の用途にペロブスカイトを使用する大きな可能性が残っています。   抵抗メモリ。

     

    ペロブスカイト製作ビデオガイド

    ペロブスカイトの研究を始めたばかりの人々のために、ペロブスカイト型太陽光発電の製造と測定の全プロセスを実演するビデオガイドを作成しました。 私たちの研究室でこの特定の製造ルーチンを使用して11%を超える効率に達しました。 以下のビデオは、 Ossila Spin Coaterのより古い、廃止されたモデルを特徴とします - 現在のモデルを見るために、あなたはここで製品ページを訪問することができます


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    ペロブスカイト型太陽電池用オシラ製品

    Ossilaの受賞歴のある太陽電池プロトタイピングプラットフォームは、太陽電池の研究に優れた科学的応用とインパクトをもたらします。 これは、高性能の標準光起電力リファレンスアーキテクチャの一部として、基板、材料、およびテスト機器の首尾一貫した集まりです。 それは研究者が信頼できるベースラインとして使用することができる高品質の、完全に機能的な太陽電池を生産することを可能にします。

    研究者や科学者である私たちは、高品質のデバイスを製造するのに必要なすべての材料、プロセス、および技術に関する専門知識を得ることがどれほど時間がかかるのかを理解しています。再現性のある結果。

    私たちはあなたがあなたの研究に集中することを可能にすることを目的としてこのプラットフォームを開発しました(あなた自身のすべてのコンポーネントを設計/調達することの代わりに)そしてパフォーマンスベースラインを複製すること。 このプラットフォームの大きな利点は、 パターン化されたITO基板とハイスループット処理装置を提供することです。その結果、太陽電池デバイスの生産率が大幅に向上し、より多くのデータをより迅速に収集できるようになります。 そのため、より多くの種類の新しい材料またはアーキテクチャのバリエーションをテストし、より多くの統計データを収集することができ、一貫性と正確性が保証されます。

    最も基本的なレベルでは、ほとんどのペロブスカイトベースの太陽電池は、蒸着金属カソードおよび上部封入を有する透明導電性酸化物被覆ガラス基板に基づいている。 そのため、当社の既存の基板インフラストラクチャおよびペロブスカイト材料は、高性能の溶液処理ペロブスカイトデバイスにすでに使用されています。 Snaithの2014 Natureの論文で使用されているように、当社の標準的な封止エポキシは、ガラスまたはその他のバリア層のラミネートにも最適です


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    Ossila Spin Coaterは、高精度で簡単な操作で、当社の界面層および活性層の堆積に日常的に使用されています。

     

    Spin Coater(上の写真)の非常に便利な仲間はOssila Syringe Pumpです。 それは私達のペロブスカイト層の自動分配と急冷に使用して高品質のフィルムを得ることができます。 私達の学術の同僚はまた私達の標準的な基質へのスプレーコーティングによって解決された処理されたペロブスカイトの太陽電池のあるすばらしい刺激的な進歩をした。 さらに、ペロブスカイト型太陽電池は、 Ossila太陽電池IVテストシステムを使用して特性評価されています。これは、デバイスの測定基準を自動的に計算し、安定性の測定を実行できます。


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    Ossilaから入手可能なI101ペロブスカイトインク。 それは0.5mlの溶液を含む10個の個々のバイアルとして包装されている。 これは160枚までの基質を塗ることができる。 I101は、通常の注文サイズの25%割引で、一括購入することもできます(30 ml)。

    ここ数カ月間、私たちは学術的な共同研究者と協力して、より高純度のヨウ化メチルアンモニウム、臭化メチルアンモニウムヨウ化ホルムアミジニウム臭化 ホルムアミジニウムなどの製品を市場に投入してきました。 また、最初のペロブスカイトインクセットを発売しました。最初のものはI101(MAI:PbCl 2 )で、空気中で処理するように設計されており、ラボで最大11.7%の効率を示しています。 私たちの2番目のインク、I 2 O 1(MAI:PbCl 2 :PbI 2 )は窒素雰囲気中で処理されるよう配合されており、これまでのところ最大11.8%の効率を見ています。 どちらのインクも、ペロブスカイトの研究を最初に始めるときに、お客様が非常に迅速に高い効率を達成できるように設計されています。 結果を最大限にするために、両方のインクで最適化された処理ルーチンを含めます。