Uchambuzi wa Tofauti ya Ufanisi Unaosababishwa na Mashimo Madogo (Pinholes) katika Seli za Jua za Perovskite

1. Utangulizi

Seli za jua za perovskite (PSCs) zimeibuka kama teknolojia ya kipekee ya fotovoltik kutokana na uboreshaji wao wa haraka wa ufanisi, sasa zikizidi 20%. Hata hivyo, kikwazo muhimu kwa uuzaji wa kibiashara ni tofauti kubwa ya utendaji inayoonekana kati ya vifaa vinavyotengenezwa katika maabara tofauti. Tuhuma kuu ni udhibiti duni wa umbo wakati wa utiaji wa filamu ya perovskite, na kusababisha ufunikaji usio bora wa uso na uundaji wa mashimo madogo (pinholes). Kasoro hizi huunda sehemu za kuwasiliana moja kwa moja kati ya safu ya usafirishaji wa elektroni (ETL) na safu ya usafirishaji wa mashimo (HTL), ambazo zinaweza kuwa vituo vya kuunganishwa tena na kupunguza unyonyaji wa fotoni. Makala hii inatumia uigizaji wa kina wa nambari na miundo ya uchambuzi ili kupima athari za usambazaji wa ukubwa wa mashimo madogo na ufunikaji halisi wa uso kwenye vigezo muhimu vya utendaji: msongamano wa mkondo mfupi ($J_{SC}$) na voltage ya mzunguko wazi ($V_{OC}$).

2. Mfumo wa Mfano

Utafiti huu unamfanyia mfano muundo wa kawaida wa seli ya jua ya perovskite ya n-i-p. Uvumbuzi mkuu ni ujumuishaji wazi wa "nafasi tupu" au mashimo madogo ndani ya safu ya perovskite, ikiwakilisha maeneo yenye ufunikaji duni wa uso (unaonyeshwa na kipengele cha ufunikaji $s$). Seli ya kimsingi ya uigizaji inajumuisha sehemu ya perovskite na eneo la karibu lenye nafasi tupu la upana unaohusiana na ukubwa wa shimo dogo. Mfano huu unazingatia njia mbili kuu za upotevu: (1) kupungua kwa unyonyaji wa mwanga kutokana na ukosefu wa nyenzo za perovskite, na (2) kuongezeka kwa kuunganishwa tena kwa vibeba kwenye kiolesura cha ETL/HTL kilichofichuliwa ndani ya nafasi tupu.

3. Uelewa Mkuu, Mfuatano wa Mantiki

Uelewa Mkuu: Mwelekeo wa jamii ya kuondoa mashimo madogo yote unaweza kuwa umepitiliza. Kazi hii inatoa ugunduzi muhimu, usio wa kawaida: voltage ya mzunguko wazi ($V_{OC}$) ya seli ya jua ya perovskite inaonyesha uthabiti wa kushangaza dhidi ya umbo la mashimo madogo (usambazaji wao wa ukubwa), ikijali badala yake kiasi halisi cha nyenzo zinazokosekana (ufunikaji wa uso, $s$). Hii hutenganisha njia za uboreshaji za $J_{SC}$ na $V_{OC}$.

Mfuatano wa Mantiki: Uchambuzi huu unajengwa kutoka kanuni za kwanza. Huanza kwa kufafanua seli ya kimsingi yenye eneo la perovskite na nafasi tupu, na kufanyia mfano uzalishaji wa mwanga na usafirishaji wa vibeba. Hatua muhimu ni kutenganisha upotevu: upotevu wa mwanga katika nafasi tupu huathiri moja kwa moja $J_{SC}$, wakati upotevu wa kuunganishwa tena kwenye kiolesura cha ETL/HTL unaathiri $J_{SC}$ na $V_{OC}$. Uigizaji hupitia vigezo kama upana wa nafasi tupu (ukubwa wa shimo dogo) na kasi ya kuunganishwa tena kwa kiolesura. Matokeo mazuri ni kwamba $V_{OC}$, inayoongozwa na mgawanyiko wa kiwango cha Fermi cha karibu, inabaki thabiti ikiwa kuunganishwa tena kwa kiolesura kimesimamiwa, bila kujali kama nafasi tupu ni shimo dogo moja kubwa au mashimo madogo mengi yenye eneo la jumla sawa. $J_{SC}$, ikiwa ni mkondo uliojumuishwa, huharibiwa moja kwa moja na eneo la unyonyaji lililopotea, na kufanya iwe nyeti kwa usambazaji wa anga wa nafasi hizo tupu.

4. Nguvu na Udhaifu

Nguvu:

• Hitimisho la Kubadilisha Mfumo: Inapinga imani ya sasa ya "kutokuwepo kwa mashimo madogo kwa gharama yoyote", na kutoa mtazamo wa kina zaidi wa uvumilivu wa kasoro.
• Methodolojia Imara: Inachanganya uigizaji wa nambari na miundo ya uchambuzi inayosaidia, na kutoa kina na uwazi wa dhana.
• Manufaa ya Vitendo: Utambuzi unaopendekezwa wa msingi wa I-V kwa ufunikaji wa uso ni zana yenye thamani, ya gharama nafuu kwa ufuatiliaji wa mchakato katika utafiti na utengenezaji.
• Kuangalia Mbele: Inafungua mlango kwa "uhandisi wa kiolesura" kama mkakati wa nyongeza au hata mbadala kwa udhibiti kamili wa umbo.

Udhaifu na Vikwazo:

• Jiometri Iliyorahisishwa Kupita Kiasi: Mfano wa seli ya kimsingi ya 1D/2D wenye nafasi tupu za kawaida ni urahisishaji mkubwa ikilinganishwa na mtandao tata, usio wa kawaida wa mashimo madogo unaoonekana katika filamu halisi za spin-coated (sawa na tofauti kati ya ubadilishaji wa picha unaodhibitiwa wa mtindo wa CycleGAN na data halisi yenye kelele).
• Kutojali Nyenzo: Mfano huu unatumia vigezo vya jumla vya semikondukta. Haishiki njia maalum za uharibifu zinazotegemea kemia ambazo mashimo madogo yanaweza kuzichochea, kama kuingia kwa unyevu au uhamaji wa ioni, ambazo ni muhimu kwa uthabiti wa perovskite.
• Ukosefu wa Uthibitishaji wa Majaribio: Utafiti huu ni wa hesabu tu. Ingawa hoja ni za msingi, uhusiano na seti ya data ya majaribio iliyodhibitiwa yenye usambazaji wa mashimo madogo uliopimwa unahitajika kwa hakika kamili.

5. Uelewa Unaoweza Kutekelezwa

Kwa watafiti na wahandisi, karatasi hii inapendekeza mabadiliko ya kimkakati:

1. Rudia Kuweka Kipaumbele kwa Tabia: Usihesabu tu mashimo madogo kutoka kwa picha za SEM; pima ufunikaji halisi wa kielektroniki wa uso kwa kutumia njia ya I-V iliyopendekezwa au utambuzi sawa wa umeme.
2. Uboreshaji wa Njia Mbili Sambamba: Fanya kazi kwa njia mbili sambamba: (a) Boresha umbo ili kuongeza $J_{SC}$, na (b) Tengeneza mawasiliano yenye kuunganishwa tena kwa kiwango cha chini sana (ETL/HTL) ili kulinda $V_{OC}$ na kutoa kinga dhidi ya kasoro za umbo zinazoweza kutokea. Angalia nyenzo bora zinazotumiwa katika seli zenye ufanisi wa rekodi kutoka taasisi kama Oxford PV au KAUST.
3. Rudia Kufikiria Mipaka ya Mchakato: Mchakato wa utiaji ambao hutoa ufunikaji wa uso kidogo chini lakini wenye sifa bora za kiolesura unaweza kuwa unaoweza kutengenezwa zaidi na kutoa utendaji wa wastani wa juu kuliko mchakato mgumu unaolenga ufunikaji kamili wa 100%.
4. Kigezo Kipya cha Ufanisi: Kwa safu za kiolesura, weka kipaumbele kwa "kasi ya kuunganishwa tena kwenye mawasiliano ya ETL/HTL yaliyofichuliwa" kama kipimo muhimu pamoja na kile cha kawaida kama upitishaji.

6. Maelezo ya Kiufundi na Muundo wa Hisabati

Uchambuzi mkuu unategemea kutatua milinganyo ya mwendelezo wa vibeba na Poisson ndani ya jiometri ya seli ya kimsingi iliyofafanuliwa. Kiwango cha uzalishaji wa mwanga $G(x)$ kinahesabiwa kwa kutumia njia za uhamishaji wa mwanga wa matrix, kwa kuzingatia athari za kuingiliwa. Uelewa muhimu wa uchambuzi unahusisha $V_{OC}$ na ufunikaji wa uso $s$ na mkondo wa kuunganishwa tena kwenye kiolesura $J_{rec,int}$:

$V_{OC} \approx \frac{n k T}{q} \ln\left(\frac{J_{ph}}{J_{0, bulk} + (1-s) J_{0, int}}\right)$

ambapo $J_{ph}$ ni mkondo wa mwanga, $J_{0, bulk}$ ni msongamano wa mkondo wa kujaa wa kiasi kikubwa cha perovskite, na $J_{0, int}$ ni msongamano wa mkondo wa kujaa wa kiolesura cha moja kwa moja cha ETL/HTL ndani ya nafasi tupu. Mlinganyo huu unaonyesha wazi kuwa uharibifu wa $V_{OC}$ unahusishwa na neno $(1-s)J_{0,int}$. Ikiwa $J_{0,int}$ inaweza kupunguzwa kwa kutosha kupitia uhandisi wa kiolesura, athari ya ufunikaji wa chini $(1-s)$ inapunguzwa.

Mkondo mfupi unakadiriwa kwa kujumlisha mkondo wa mwanga uliozalishwa ambao haujapotea katika eneo la nafasi tupu au kwa kuunganishwa tena:

$J_{SC} \approx s \cdot J_{ph, ideal} - q (1-s) \int U_{int} dx$

ambapo $U_{int}$ ni kiwango cha kuunganishwa tena kwenye kiolesura, na kuonyesha utegemezi wa moja kwa moja kwa $s$ na shughuli ya kuunganishwa tena.

7. Matokeo ya Majaribio na Maelezo ya Chati

Muhtasari wa Matokeo ya Uigizaji: Uigizaji wa nambari hutoa seti mbili kuu za matokeo yanayoonekana katika chati muhimu.

Chati 1: $J_{SC}$ na $V_{OC}$ dhidi ya Ukubwa wa Shimo Dogo (kwa ufunikaji uliowekwa). Chati hii ingeonyesha $J_{SC}$ ikipungua kadiri ukubwa wa kipekee wa shimo dogo unavyoongezeka, hata kwa eneo la jumla la nafasi tupu lililowekwa, kutokana na ongezeko la uwiano wa mzunguko-kwa-eneo na kuunganishwa tena kuhusiana. Kinyume chake, mkunjo wa $V_{OC}$ ungebaki kwa kiasi kirefu, na kuonyesha kutokuwa na uhusiano na usambazaji wa ukubwa.

Chati 2: Ufanisi dhidi ya Ufunikaji wa Uso kwa Kasi Tofauti za Kuunganishwa Tena kwa Kiolesura (SRV). Hii ndiyo chati yenye kusema zaidi. Ingeonyesha mikunjo mingi: Kwa SRV ya juu (kiolesura duni), ufanisi hushuka kwa kasi kadiri ufunikaji unavyopungua. Kwa SRV ya chini (kiolesura bora), mkunjo wa ufanisi unabaki wa juu na wa gorofa, na kuonyesha kwamba hata vifaa vyenye ufunikaji wa 80-90% vinaweza kubaki na >90% ya ufanisi wa seli bora. Hii inafupisha kwa kuonekana hoja kuu ya karatasi hii kwa uhandisi wa kiolesura.

8. Mfumo wa Uchambuzi: Mfano wa Kesi

Hali: Kikundi cha watafiti kinatengeneza PSCs na wino mpya wa awali. Uchambuzi wa SEM unaonyesha ufunikaji wa uso wa ~92%, lakini mashimo madogo yanaonekana makubwa kuliko katika mapishi yao ya kawaida. Uchambuzi wa Kitamaduni: Hitimisha kuwa wino mpya ni duni kutokana na mashimo madogo makubwa, na kulenga kurekebisha umbo. Uchambuzi wa Msingi wa Mfumo (kutoka kwa karatasi hii):

1. Pima Matokeo ya Umeme: Toa $V_{OC}$ na $J_{SC}$ kutoka kwa mkunjo wa I-V.
2. Tambua: Ikiwa $V_{OC}$ inabaki ya juu (karibu na msingi wenye ufunikaji wa 98%), inaonyesha kiolesura cha ETL/HTL kina kasi ya chini ya kuunganishwa tena ($J_{0,int}$ ni ndogo). Upotevu mkuu uko katika $J_{SC}$.
3. Sababu ya Msingi na Hatua: Tatizo ni hasa la mwanga (eneo la unyonyaji lililopotea). Njia ya suluhisho ni kuboresha uundaji wa filamu ili kuongeza ufunikaji, sio lazima kubadilisha nyenzo za kiolesura. Ukubwa wa shimo dogo kubwa sio wasiwasi mkubwa kwa voltage.
4. Pima: Tumia mfano wa uchambuzi kuhesabu tena $J_{0,int}$ halisi, na kuthibitisha kuwa ni ya chini. Hii inathibitisha ubora wa kiolesura.

9. Mtazamo wa Matumizi na Mwelekeo wa Baadaye

Uelewa kutoka kwa kazi hii una athari za moja kwa moja kwa utengenezaji unaoweza kupimika wa PSCs.

• Uvumilivu wa Utengenezaji: Kwa kufafanua dirisha la "ufunikaji wa uso unaokubalika kielektroniki" (k.m., >90%) badala ya lengo la ukamilifu, mbinu za utiaji kama ufunikaji wa slot-die au blade zinakuwa zinazowezekana zaidi, kwani mara nyingi hutoa filamu zenye usawa wa juu lakini ufunikaji unaokubalika.
• Muundo wa Kiolesura Thabiti: Utafiti wa baadaye unapaswa kulenga kuendeleza safu za mawasiliano za "zima" zinazopitisha ambazo wakati huo huo hutoa uteuzi bora wa malipo na kuunganishwa tena kwa kiwango cha chini sana katika kiolesura chochote kilichofichuliwa. Nyenzo kama safu za pekee zilizojikusanya (SAMs) au oksidi zenye bendi pana ni wagombea wenye matumaini.
• Utambuzi Uliojumuishwa: Uchambuzi wa I-V uliopendekezwa unaweza kujumuishwa katika mifumo ya udhibiti wa ubora wa laini katika laini ya uzalishaji ya majaribio ili kufuatilia usawa wa ufunikaji kwa wakati halisi.
• Upanuzi kwa Mchanganyiko: Kanuni hii ni muhimu kwa mchanganyiko wa perovskite-silicon. Seli ya juu ya perovskite, ambayo mara nyingi hutiawa kwenye silicon yenye muundo, kwa asili itakuwa na ufunikaji usio kamili. Uhandisi wa kiolesura kisicho na kuunganishwa tena kati ya safu ya usafirishaji wa malipo ya perovskite na seli ya chini ya silicon (au safu ya kati) ni muhimu sana ili kudumisha $V_{OC}$ ya juu katika mkusanyiko wa mchanganyiko.

10. Marejeo

1. Agarwal, S., & Nair, P. R. (Mwaka). Pinhole induced efficiency variation in perovskite solar cells. Jina la Jarida, Juzuu(Toleo), kurasa. (Makala iliyochambuliwa).
2. Taasisi ya Kitaifa ya Nishati Mbadala (NREL). Chati ya Ufanisi Bora ya Seli ya Utafiti. Imepatikana kutoka https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html
3. Green, M. A., et al. (2021). Majedwali ya ufanisi wa seli za jua (Toleo la 57). Maendeleo katika Fotovoltik: Utafiti na Matumizi, 29(1), 3-15.
4. Rong, Y., et al. (2018). Changamoto za kuuza kibiashara seli za jua za perovskite. Sayansi, 361(6408), eaat8235.
5. Zhu, H., et al. (2022). Uhandisi wa kiolesura kwa seli za jua za perovskite. Nature Reviews Materials, 7(7), 573-589.
6. Isola, P., et al. (2017). Tafsiri ya Picha-hadi-Picha na Mtandao wa Mashindano ya Masharti. Matukio ya Mkutano wa IEEE wa Mtandao wa Kompyuta na Muundo wa Muundo (CVPR). (Iliyotajwa kama mfano wa ubadilishaji tata wa data usio bora).
7. Oxford PV. Teknolojia ya Seli ya Jua ya Perovskite. https://www.oxfordpv.com/technology