Energiya inqirozi va atrof -muhitning ifloslanishi jamiyat rivojlanishiga to'sqinlik qiladigan ikkita global muammo hisoblanadi

1.Kirish
Energiya inqirozi va atrof -muhitning ifloslanishi jamiyat rivojlanishiga to'sqinlik qiladigan ikkita global muammo hisoblanadi. Quyosh energiyasi toza va ulkan energiya manbai bo'lib, bu global muammolarni hal qilishning istiqbolli usuli hisoblanadi. Quyosh energiyasini elektr energiyasiga aylantirish, bu mo'l -ko'l energiya manbasidan foydalanishning samarali usuli hisoblanadi. Bugungi kunga kelib, bitta kristalli kremniyli quyosh batareyalari 24%dan yuqori optimistik quvvat konvertatsiyasi samaradorligini ko'rsatdi. Biroq, ishlab chiqarish jarayonining narxi hali ham juda yuqori. Yuqori PCE bilan arzon materiallarni qidirish har doim olimlarning keng ko'lamli sa'y-harakatlarini jalb qiladi.
Yaxshiyamki, oxirgi besh yil ichida gibrid organik-organik perovskitli quyosh xujayralari (PSC), toza va ulkan quyosh energiyasiga ega bo'lgan arzon yo'lda istiqbolli ishlashini ko'rdi. Ishlab chiqarish qulayligi, mo'l -ko'l moddiy manba va yuqori PCE tezda olimlar e'tiborini tortdi.
PSClar birinchi marta suyuq elektrolitlarga asoslangan quyosh batareyasi sifatida 2009 yilda PCE faqat 3,8% bilan paydo bo'lgan [1]. Biroq, perovskit suyuq elektrolitda beqaror ekanligi aniqlandi [1, 2]. 2012 yilda, kosensitizator va teshik o'tkazgichli perovskit CsSnI3, qalay, sensitivator sifatida N719 va al2O3 da CH3NH3PbI3 perovskite sezgir quyosh batareyasi yordamida kaliy yordamida olingan PCE 10,2% [3] bo'lgan qattiq holatdagi bo'yoq sezgir quyosh batareyasi. 10,9% PCE bo'lgan iskala - bu katta tegirmon toshi va perovskitli quyosh xujayralari kelayotgan davridan xabar beradi [4]. O'shandan beri PSClar misli ko'rilmagan tezlikda ishlab chiqildi. So'nggi besh yil ichida PSClarning PCElari tez rivojlandi. Shakl 1 (a) da ko'rsatilgandek, 2013 yilda perovskit PCE 15% gacha ko'tarildi [5, 6]. Keyin tasdiqlangan samaradorlik 17,9% ga 2014 yil boshida erishildi [7]. Keyinchalik, PCE planar qurilmada interfeysni ishlab chiqish orqali 19,3% ga ko'tarildi [8, 9]. 2014 yil noyabr oyiga kelib, KRICT [10] tomonidan 20,1% lik barqaror bo'lmagan samaradorlik bilan tasdiqlangan yangi rekordga erishildi.

Perovskitning kristall tuzilishining sxematik tasviri 1 -rasmda ko'rsatilgan (b). Gibrid perovskitlarning umumiy formulasi ABX3 bo'lib, bu erda A - metil ammoniy, B - Pb (II) yoki Sn (II) va X - Cl, Br yoki I yoki bir nechta halogenlarning birgalikda mavjudligi. Quyosh xujayralari uchun qiziqarli material sifatida gibrid perovskitlar ko'plab o'rnatilgan foydali xususiyatlarni birlashtiradi. Shakl 2 (d) [11] da ko'rsatilgandek, perovskitlarning optik xossalarini turli halogen elementlar [11-13] orasidagi nisbatni o'zgartirish orqali sozlash mumkin. Eng ko'p o'rganilgan CH3NH3PbI3 - tarmoqli oralig'i 1,55 eV bo'lgan to'g'ridan -to'g'ri o'tkazgichli yarimo'tkazgich, bu uning yutilishini 800 nmgacha aniqlaydi [14]. Zaif fotogeneratsiyalangan eksiton bog'lanish energiyasi atigi 0,03 eV, atrof -muhit haroratida zaryadlarning ajralishini osonlashtiradi [15]. Bundan tashqari, CH3NH3PbI3da hosil bo'ladigan kichik samarali elektronlar va teshiklar bu tashuvchilarning tez tashilishiga yordam beradi [16]. Tashuvchilarning umr ko'rish muddati yuzlab nanosaniyalar oralig'ida bo'lib, rekombinatsiyani ancha sekinlashtiradi va diffuziya uzunligini 100 nm dan 1000 nmgacha uzaytiradi [15, 17, 18]. Yorug'likni yutuvchi ta'sirga qo'shimcha ravishda, teshiklarni o'tkazuvchi material (HTM-) bo'lmagan perovskit quyosh batareyasi 5,5% PCE ko'rsatadi, CH3NH3PbI3 ning samarali teshiklarni tashish qobiliyatini ta'kidlaydi [19]. Bundan tashqari, CH3NH3PbI3 [20] da uzoq masofali ambipolyar zaryadni tashish aniqlandi. Bu moddiy xususiyatlarning barchasi perovskitlarni fotovoltaik ilovalar uchun jozibador qiladi.

Bugungi kunga kelib, organik-noorganik perovskit quyosh xujayralarining har bir alohida qatlami intensiv ravishda tekshirildi va optimallashtirildi. PSClarning jadal rivojlanishi davom etar ekan, olimlar qanday yutuqlarga erishganligi haqida qisqacha ma'lumotga talab kuchli. Mavjud muammolarni hal qilishni intizorlik bilan kutish uchun ham xulosa zarur. Ushbu sharhda biz PSClarni quyidagi jihatlardan ko'rib chiqmoqchimiz: perovskit sintez usullari, teshiklarni tashish materiallari (HTMs) va fotoanod morfologiyalari. XKS uchun ba'zi istiqbollar va muammolar ham qisqacha muhokama qilinadi.

2-rasm. (d) Film sifatini yaxshilash va yorug'likni yig'ishni yaxshilash uchun uchta usul qo'llaniladi: birinchi navbatda, sirt qoplamini va yorug'likni singdirishini yaxshilash uchun boshqa halid atomlarini CH3NH3PbI3 ga doping qilish. Planar qurilmani ishlab chiqarishda xlor elementini CH3NH3PbI 3 ga qo'shib, 95 ∘C da tavlangan perovskit 10% dan ortiq PCE ko'rsatdi [28]. CH3NH3Pb (I1−xBrx)3 ga asoslangan rangli yorug'lik absorberlari edi

I ga Br nisbatini o'zgartirish orqali sintezlanadi (2-rasm (d)). X qiymati 0 dan 0,2 gacha bo'lgan CH3NH3Pb (I1−xBrx)3 dan foydalanadigan hujayralar o'rtacha PCE 10% dan ortiq va maksimal PCE 12,3% ni ko'rsatdi [11]. Oldindan bir xil va zich CH3NH3Pb(I1−xBrx)3 (x = 0,1-0,15) plyonka 𝛾-butirolakton va dimetilsulfoksid (DMSO) aralash erituvchisi, so‘ngra prekursor eritmasini spin-qoplashda toluolni tomchilab quyish jarayoni yordamida olingan.

2. Perovskit sintezi va optimallashtirish

Gibrid perovskitning ikkita sintez usuli quyosh xujayrasi dasturlarida keng qo'llaniladi. CH3NH3I prekursori ekvimolyar metilaminni gidroiyod kislota bilan 0∘C da 2 soat aralashtirish orqali sintezlanadi. Reaksiya aralashmasidan CH3NH3I ni olish uchun tez-tez aylanuvchi bug'lanish qo'llaniladi. Qayta olingan CH3NH3I dietil efir bilan yuviladi. Bir bosqichli usul uchun CH3NH3PbI3 ekvimolyar CH3NH3I va PbI 2 ni 𝛾-butirolakton, N,N-dimetilformamid (DMF) yoki dimetilsulfoksid (DMSO)da 60∘C da 12 soat davomida aralashtirish orqali sintezlanadi [2]. Tarkibida perovskit boʻlgan aralash galogenidlarni sintez qilish uchun CH3NH3I va PbX2 oʻrtasidagi nisbatlar maqsadli perovskit formulasiga muvofiq oʻzgartiriladi [4, 12]. Hozirgacha eng muvaffaqiyatli bir bosqichli usul CH3NH3PbI3−xClx bo'lib, Yang guruhi tomonidan PCE 19,3% hujayra bilan yaxshi tasvirlangan va 2(c)-rasmda umumlashtirilgan [9] Ikki bosqichli usul, shuningdek ketma-ket cho'kma deb ataladi, bu kvant nuqta sintezi uchun ketma-ket ion qatlami adsorbsiyasi va reaksiya usuliga (SILAR) o'xshash usul bo'lib, Burschka va boshqalar tomonidan ishlab chiqilgan. Odatda bu usulda PbI2 avval N,N-dimetilformamid kabi erituvchida 70∘C da aralashtirish ostida eritiladi. Keyin fotoanodlar yoki substratlar 70∘C da saqlanadigan PbI2 eritmasi bilan qoplanadi, so'ngra quritiladi. 70 ∘C da 30 daqiqa. Xona haroratiga sovutilgandan so'ng, plyonkalar CH3NH3I eritmasiga (odatda 2-propanolda 10 mg / ml) 20 soniya davomida botiriladi va keyin 2-propanol bilan yuviladi va 70 ° C da 30 daqiqa davomida quritiladi [6].

Boshqa yangi sintez usullari ham sinab ko'rildi. Masalan, perovskitning tozaligi va bir xilligini oshirish uchun vakuum holati qo'llaniladi [13, 24]. Perovskit hosil qilish uchun organik va noorganik manbalarni bug'lash va cho'ktirishni o'z ichiga olgan vakuumli cho'kma Snaith va boshqalar tomonidan kiritilgan. (2-rasm (a)). Bunday bug 'cho'kilgan planar qurilma PCE ni 15,4% ni ko'rsatdi, bu eritma yotqizilgan qurilmadan 8,6% yuqori edi [5]. Bundan tashqari, bug 'yordamida eritmani qayta ishlash orqali ishlab chiqarilgan planar qurilma Yang guruhi tomonidan 12,1% PCE hosil qildi [25] Yaqinda perovskitni sintez qilish uchun gibrid kimyoviy bug 'cho'kmasi qo'llanildi. Hisobotga ko'ra, bunday qurilma 19% PCE hosil qilgan [26].

Perovskitlarning tabiatiga ko'ra, zich, bir xil va yuqori sifatli perovskit plyonkasini olish uchun zarur bo'lgan optimal sharoit va usullarni topish hali ham muammo bo'lib qolmoqda. Yuqori sifatli perovskit plyonkalari uchun cho'kma sharoitlarini optimallashtirish uchun turli guruhlar tomonidan katta sa'y-harakatlar mavjud.

3. PSC uchun fotoanod morfologiyalari

Sensibilizatorni yuklash uchun yordam sifatida fotoanodlar PSClarning ishlashida muhim rol o'ynaydi. Hozirgacha nanopartikullarga asoslangan PSClar, bir o'lchovli nanomateriallarga asoslangan PSClar, planar qurilmalar va moslashuvchan qurilmalar kabi bir nechta turdagi PSC ishlab chiqilgan.

4.1. Nanozarrachalarga asoslangan PSClar. TiO2 nanopartikullari (NP) PSC uchun ishlatiladigan eng keng tarqalgan iskala hisoblanadi. 3(a) va 3(b)-rasmlarda ko'rsatilganidek, perovskitning ambipolyar zaryad tashish tabiati tufayli NPs asosidagi PSClarni ikkita strukturaviy PSCga bo'lish mumkin. An'anaviy qattiq holatdagi yarimo'tkazgichli sezgir quyosh xujayralariga o'xshashi 3 (a)-rasmda ko'rsatilgan.

Challenges and Perspective
Hozir ham, fotovoltaik sohada har doimgidan ham tez sur'atlar bilan rivojlanish har kuni sodir bo'lmoqda. Yang guruhi [9] tomonidan amalga oshirilgan 19,3% PCE ko'rsatkichi haqiqiy hayotda qo'llanilishi uchun katta qadamdir. Olimlar perovskit va kristalli kremniy xujayralarini tandem konfiguratsiyasida ishlab chiqarish orqali yaqin kelajakda 28-30% gacha bo'lgan PCElarni amalga oshirish mumkinligini taxmin qilmoqdalar [47]. Shunga qaramay, barqarorlik PSC uchun hali ham katta muammo bo'lib qolmoqda. CH3NH3PbI3 suv kabi qutbli erituvchilarga juda sezgir. U tezda eriydi va tezda PbI2 ga parchalanadi. Hozirgacha barqarorlik bo'yicha bir nechta tadqiqotlar haqida xabar berilgan [6]. Ushbu hisobotlar uzoq alkil zanjirli va suyultiruvchi qo'shimchalarsiz HTM suv filtratsiyasini kamaytiradi va sezgirlashtiruvchi korroziyani oldini oladi va namlik barqarorligini yaxshilaydi [63] degan xulosaga keldi. Orqa kontakt sifatida ishlatiladigan uglerod moddasi suvni ushlab turuvchi qatlam vazifasini ham bajaradi, deb ishoniladi. Qurilmaning PCE 1000 soatdan ortiq havo ta'siridan keyin pasayganini ko'rsatmadi [21]. Biroq, uzoq muddatli tashqi amaliy ilovalar uchun qattiq talabni qondirish uchun hali uzoq yo'l bor. Boshqa tomondan, uzoq vaqt davomida UV ta'sir qilish barqarorligi PSC uchun yana bir muammodir. Snaith va boshqalar. UV nuriga uzoq vaqt ta'sir qilishning PSClarning ishlashiga ta'sirini o'rganib chiqdi. PSClarning ishlashi mezoporoz TiO2 da sirtdan so'rilgan kislorodning yorug'lik ta'sirida desorbsiyasi tufayli parchalanadi. Biroq, TiO2 bo'lmagan PSClar bu beqarorlikdan himoyalangan [64]. Og'ir metall qo'rg'oshinning odamlarga va atrof-muhitga toksikligi PSC ishlab chiqarishni kengaytirish uchun yana bir katta tashvishdir. Olimlar qo'rg'oshinsiz perovskitlarni sintez qilishga harakat qilmoqdalar [5, 64]. CH3NH3SnI3−xBrx, qo‘rg‘oshinsiz perovskit va spiro-OMeTADni o‘z ichiga olgan PSC 5,73% PCE ishlab chiqardi [33]. Yana bir alternativa TiO2 iskaladagi CH3NH3SnI3 bo'lib, u 6,4% PCEga erishdi [65]. Atrof-muhitni qo'rg'oshin bilan ifloslanishini oldini olish uchun, qo'rg'oshinsiz kompozitsiyadan tayyorlangan perovskitlar, ehtimol, PSClar uchun keng ko'lamli o'rganiladigan soha bo'lishi mumkin. Umuman olganda, PSC texnologiyasidan to'liq foydalanishdan oldin, yuqoridagi barcha masalalarni hal qilish kerak.