Hvordan kan man effektivt redusere blylekkasje i perovskittsolceller for å sikre stabilitet og miljøvennlighet?

Utviklingen av perovskittsolceller har de siste årene vist stort potensial for effektiv og rimelig solenergi, men utfordringer knyttet til stabilitet og miljøsikkerhet, særlig blylekkasje, krever omfattende tiltak. Forskning har fokusert på ulike strategier for å begrense blyutslipp og samtidig bevare eller forbedre solcellenes ytelse og levetid.

En sentral tilnærming har vært design og integrering av funksjonelle materialer som kan hindre blylekkasje ved å binde eller kapsle inn blyet i cellene. Fullerene-porfyrin-dyader har vist seg å være effektive i å redusere blylekkasje samtidig som de forbedrer stabiliteten til perovskittsolceller. Polymerer modifisert med alkali-metaller eller andre funksjonelle grupper kan stabilisere krystallstrukturen, beskytte mot fukt og bidra til å forhindre blyutslipp.

Særlige materialer som SnO2 og kobber-porfyriner har fått stor oppmerksomhet for deres evne til å fremme både effektiv ladningsoverføring og stabilitet, samtidig som de fungerer som barrierer mot bly. Multifunksjonelle molekyler, som amidin-thiourea eller dicarboksylsyrer, kan modifisere den skjulte grenseflaten i solcellen, noe som resulterer i redusert blylekkasje og økt levetid. Bioinspirerte løsninger som biomimetiske selvbeskyttende grensesnitt og biologiske stillas som binder blyioner ved fysisk skade, viser lovende resultater i å fange opp bly før det lekker ut i miljøet.

Videre finnes det avanserte metoder for kjemisk innkapsling av perovskittfilmen med tetrasulfid-kobber(II)porfyriner eller iongelbaserte kapslingsmaterialer, som ikke bare øker mekanisk styrke og fleksibilitet, men også sikrer langvarig blykontroll selv under belastning og ytre påvirkninger. Metall-organiske rammeverk kombinert med polymerkompositter har også vist seg å kunne fjerne tungmetaller selektivt, noe som åpner for muligheten til tryggere produksjon og håndtering.

I tillegg til materialinnovasjon spiller prosessoptimalisering som ligandingeniørkunst og flerlagsstrukturering en viktig rolle for å oppnå fuktresistens, effektiv elektronstrøm og samtidig minimere miljøpåvirkningen. Solceller som er designet med innebygde harpikslag og passivatorer som fluorinerte forbindelser, oppnår høy effektivitet nær 24% samtidig som de reduserer blylekkasje betydelig.

For å kunne realisere det fulle potensialet i perovskittsolceller må man også forstå de komplekse mekanismene bak blyutslipp og stabilitetsforringelse. Bly kan lekke ved mekaniske skader, fuktinntrengning, eller termisk belastning, og derfor må tiltakene være helhetlige og integrerte i både materialvalg og produksjonsprosesser. Samspillet mellom krystallstruktur, kjemisk passivering, og fysisk innkapsling er avgjørende for langsiktig stabilitet og miljøsikkerhet.

Det er avgjørende å erkjenne at løsningen på blyutfordringen ikke ligger i en enkelt teknologi, men i kombinasjonen av avansert materialdesign, grensesnittkontroll, og systematiske miljøtiltak. Forståelsen av kjemiske og fysiske prosesser på molekylnivå gir grunnlag for å utvikle perovskittsolceller som både er effektive, stabile og miljøansvarlige.

Hvordan påvirker innkapsling ytelsen og levetiden til organiske og perovskitt solceller?

Vanlige metoder for innkapsling av OPV inkluderer tynnfilm-innkapsling og vakuumlaminering, med materialer som etylen-vinylacetat (EVA), polyvinylbutyral (PVB) og termoplastisk polyuretan (TPU). Disse gir typisk en levetid på flere år for innkapslede enheter.

Sammenlignet med organiske og perovskittbaserte solceller, har krystallinske silisiumsolceller over flere tiår blitt dominerende takket være deres høye effektivitet og pålitelighet. Silisiumceller består av et silisiumsubstrat, dopinglag og metall-elektrode, og deres stabilitet skyldes hovedsakelig de sterke kovalente bindingene i materialet. Innkapsling av silisiumceller oppnås vanligvis gjennom laminering med termoplastiske polymerer som EVA, noe som gir en tett forsegling og beskyttelse mot miljøpåvirkninger. Levetiden for slike moduler kan overstige 20 år.

Kravene til innkapslingsmaterialer for silisiumceller inkluderer høy lysgjennomgang for å maksimere sollysets absorpsjon, god motstand mot oksygen og fuktighet for å forhindre korrosjon og lekkasjer, samt tilstrekkelig mekanisk styrke og termisk isolasjon for å tåle ytre belastninger og temperatursvingninger. Likevel har EVA, det mest brukte innkapslingsmaterialet, noen ulemper som dårlig værbestandighet og aldring ved langvarig eksponering for sollys. Termisk nedbrytning av EVA produserer også stoffer som eddiksyre og formaldehyd som kan skade solcellenes stabilitet. Forbedringer i EVA har blitt oppnådd gjennom optimalisering av kryssbindingsmidler, antioksidanter og lysstabilisatorer, samtidig som nye materialer som akryl, silikon og polyolefiner utvikles for bedre ytelse.

Teknologien for innkapsling av OLED-enheter har lagt grunnlaget for perovskittsolcellers innkapsling, men perovskittmaterialenes dårligere stabilitet krever ytterligere tilpasning. For eksempel må EVA-laminering som vanligvis foregår ved temperaturer over 135 °C unngås for perovskittlagene, som er termisk følsomme. I tillegg kan nedbrytningsprodukter fra innkapslingsmaterialer som EVA føre til rask degradering av perovskittsolcellene. Dette viser at innkapslingsteknologier fra kommersielle optoelektroniske enheter ikke kan overføres direkte til perovskittsolceller, og behovet for videreutvikling er påtrengende.

Innvendig strukturelt deles innkapsling for perovskittsolceller i to hovedtyper: full-innkapsling, hvor innkapslingsmaterialet dekker hele den aktive sonen, og kantforsegling, hvor tetningsmateriale kun plasseres rundt kanten av substratet. Full-innkapsling kan videre deles i typer basert på prosessen: uten dekselplate, der tynne lag påføres med teknologier som ALD eller PECVD, og med dekselplate, hvor termoplastiske polymerer lamineres som et fysisk lag.

I full-innkapsling kommer innkapslingsmaterialet i direkte kontakt med aktive lag, og derfor er kjemisk inerthet og mekanisk kompatibilitet avgjørende, spesielt for perovskittlaget og organiske ladningstransportlag. Studier har vist at gasser som avgis fra UV-herdende lim kan skade perovskittlaget under herdeprosessen. Innkapslingsmaterialet må også ha elastiske egenskaper for å kunne absorbere termiske spenninger som oppstår under temperatursykluser, grunnet ulik termisk ekspansjonskoeffisient mellom lagene.

Det er viktig å forstå at innkapsling ikke bare er en fysisk barriere, men også en aktiv komponent som må tilpasses materialenes kjemiske og termiske egenskaper for å unngå degradering. Perovskittsolcellenes skjørhet og sensitivitet mot fukt, oksygen, varme og kjemiske nedbrytningsprodukter stiller svært høye krav til utviklingen av nye, spesialiserte innkapslingsmaterialer og -metoder. Langsiktig stabilitet og optimal effektivitet i perovskittsolceller kan kun oppnås gjennom en helhetlig forståelse av interaksjonen mellom innkapslingsmaterialer og aktive lag, samt prosessbetingelser.