Studier av Cu₂₋ₓS nanopartikler har vist at upkonverteringslysstyrken forbedres betydelig under varierende eksitasjonseffekter. Ved lavere eksitasjonseffekter bidrar plasmonspredning til økt upkonverteringslysstyrke, mens ved høyere eksitasjonsnivåer skjer elektron-diffusjon via en to-foton interband-overgang i Cu₂₋ₓS. Denne mekanismen muliggjør en mer effektiv sensitisering av Er₂O₃ nanopartikler, noe som resulterer i en økning av total upkonverteringslysstyrke med en faktor på omtrent 1000, og en maksimal intern kvanteeffektivitet på 14,3 % under optimale eksitasjonsforhold. Denne forbedringen utvider responsen i det nær-infrarøde området og øker den fotovoltaiske konverteringseffektiviteten (PCE) i solceller.

I perovskittsolceller (PSC) forbedrer disse nanokomposittene fotostrømmen gjennom elektronoverføring fra oksygendefekter til TiO₂ sitt ledningsbånd. Den beste solcellen i studiene oppnådde en PCE på 18,8 % under 15 ganger sollysintensitet, noe som samsvarer med høyere kvanteeffektivitet og mer effektiv elektronisk overgang observert i Cu₂₋ₓS@SiO₂@Er₂O₃-kompositter ved høyere eksitasjonsnivåer. Dette peker på at både elektronoverføring og reabsorpsjon av upkonverteringslysstyrken spiller en vesentlig rolle i PCE-forbedringen under høye lysforhold.

Dye-sensitisering har også vist seg effektiv for å øke upkonverteringsfluorescensintensiteten og effektiviteten. IR806-fargestoffet, når det inkorporeres i upkonverteringsnanokrystaller i PSC, kan øke PCE til 17,49 %, sammenlignet med 13,52 % i kontrollceller. Fluorescensspekteret viser tydelige Er³⁺ emisjonsbånd, som demonstrerer muligheten for effektiv utnyttelse av nær-infrarødt sollys i perovskittsolceller.

Integrasjonen av sjeldne jordartsdopede (RE) NaYF₄ nanopartikler i PSC-utfordres av rekombinasjonseffekter på grunn av deres dielektriske egenskaper, hvor oppkonverteringsnanopartiklene kan fungere som rekombinasjonssentre og dermed redusere fotostrømmen ved direkte kontakt med perovskittlaget. Derfor er kontroll av størrelse, tykkelse og uniformitet av upkonverteringsmaterialet avgjørende for å oppnå optimal ytelse. Høy intern kvanteutbytte ved lave lysintensiteter er for tiden kun rapportert for monokrystallinske og multikrystallinske Si-baserte materialer.

En strategisk løsning er å plassere upkonverteringslaget på baksiden av solcellen for å absorbere fotoner som passerer gjennom solcellen. Dette tillater uavhengig optimalisering av laget for å forbedre samlet ytelse. Transparent LiYF₄: Yb³⁺, Er³⁺ enkeltkrystall med 5,72 % intern kvanteeffektivitet er blitt brukt som et uavhengig upkonverterende lag foran PSC, og har vist en PCE-forbedring på 7,9 % under simulert sollys med 7 ganger intensitet. Effektiviteten øker med høyere lysintensitet, noe som understreker upkonverteringens positive rolle i reelle solcelleforhold.

En annen tilnærming plasserer en kompositt av NaYF₄: Yb³⁺, Er³⁺ / NaYF₄: Yb³⁺, Tm³⁺ / Ag lag på baksiden av PSC ved hjelp av pulsert laseravsetning, som kombinerer nær-infrarødt lysopptak, plasmonisk spredning, refleksjon og luminescensforsterkning. Dette designet fører til en relativ PCE-økning på 6,8 % og en optimalisert PCE på 19,2 % ved 1,5 W/cm² belysning, en 20 % forbedring sammenlignet med kontrollen. Dette illustrerer potensialet for spektral utvidelse i PSC gjennom slike komposittlag.

Oppkonverteringsmekanismen regnes som den mest effektive metoden for å overkomme begrensningene i effektivitet for enkeltlags perovskittsolceller, slik teorien til Shockley-Queisser antyder. Forskningen fokuserer på RE-dopede materialer, spesielt NaYF₄ og LiYF₄ med trivalent RE-ioner som Er³⁺, Tm³⁺ og Ho³⁺, hvor Yb³⁺ fungerer som en effektiv sensitisator. Til tross for dette står praktiske anvendelser overfor betydelige utfordringer, spesielt på grunn av den smale absorpsjonsbåndbredden til RE-ionenes f-f-overganger, som begrenser bredbåndsupptak og lyseffektivitet. Små absorpsjonskryss-seksjoner og smale eksitasjonsbånd reduserer ytterligere den praktiske nytten av disse materialene i solceller.

Det er også viktig å forstå at kontroll over nanomaterialenes plassering, egenskaper og integrasjon i solcellestrukturen er avgjørende for å unngå uønsket rekombinasjon og dermed sikre maksimal effekt av upkonverteringen. Selv om teknologien fremdeles utvikles, gir upkonverteringsmaterialer en lovende vei for å øke den totale utnyttelsen av sollysets spektrum, spesielt i det nær-infrarøde området, noe som kan heve den teoretiske effektivitetsgrensen i perovskittsolceller betydelig.

Hvordan påvirker innkapsling og materialvalg stabiliteten til perovskittsolceller?

Ved høye temperaturer dannes svært aktive peroksidradikaler som kan fange hydrogenatomer fra hovedkjeden -CH2- i polymerer. Disse makromolekylene gjennomgår deretter forgrening, tverrbinding og rekombinasjon, noe som fører til dannelsen av et tredimensjonalt molekylært nettverk. Denne prosessen skjer gjennom etablering av kjemiske bindinger mellom polymerkjeder, noe som kan illustreres med reaksjonslikninger som viser radikalers dannelse og sammenslåing.

I produksjonen av perovskittsolceller (PSC) benyttes vakuumlaminering som en vanlig metode for innkapsling. Etter at solcelleen er ferdig, legges et innkapslingsmateriale på substratet, som deretter dekkes med et glasslag. Når laminatoren når ønsket temperatur, plasseres sammensetningen under vakuum i et bestemt tidsrom før lamineringsprosessen starter. Etter at lamineringsprosessen er fullført, tillates innkapslingsmaterialet å herde helt, noe som sikrer en stabil og beskyttende barriere for solcellen.

Et av de mest utbredte innkapslingsmaterialene i kommersielle fotovoltaiske enheter er etylen-vinylacetat (EVA). Dette kopolymeret har en lysgjennomgang på 91 % og har vært i bruk i over 20 år på grunn av sin gode lysgjennomslipp, elastisitet, lave prosesseringstemperatur, smelteflytbarhet og klebeevne. Bruken av EVA har vist seg å gi svært gode resultater for holdbarhet og ytelse, blant annet fordi materialets lave elastiske modul bidrar til å spre belastninger forårsaket av temperaturvariasjoner i cellens lag, noe som minsker degradering under termiske sykluser.

Samtidig har EVA også ulemper. Det kan oppstå misfarging som skyldes fototermisk nedbrytning av tilsetningsstoffer, og hovednedbrytningen innebærer reaksjoner som deacetylisering, hydrolyse og termisk nedbrytning, hvor blant annet eddiksyre dannes. Videre krever EVA høye laminerings-temperaturer (130–150°C), noe som kan føre til termisk nedbrytning av perovskittmaterialet.

For å unngå slike problemer har forskere testet alternative innkapslingsmaterialer, som polyolefin (POE) med polyisobutylen (PIB) som kantforsegling. POE og PIB har vist seg å kunne tåle fukt- og termiske syklustester i henhold til industrielle standarder, samtidig som de minimerer risikoen for termisk skade og korrosjon på perovskittlaget. Bruken av polyuretan (PU) som innkapslingsmateriale har også blitt undersøkt, ettersom PU kan prosesseres ved lavere temperaturer (~80°C), noe som reduserer termisk stress på solcellene. PU har imidlertid begrensninger knyttet til kostnader og værbestandighet; langvarig eksponering for sollys kan føre til aldring, gulning og sprekkdannelse, mens høye temperaturer kan forårsake mykning, smelting og avgassing, noe som kan forkorte levetiden til enheten.

PIB fremstår som et spesielt lovende materiale på grunn av sin utmerkede vanndamp- og gassbarriere, kjemiske stabilitet, støtdempingsevne og elastisitet. Denne polymeren har vist seg å være svært effektiv som tetningsmateriale i perovskittsolceller, og bidrar til å hindre fuktinntrengning, noe som er en av de største utfordringene for langtidsholdbarheten til PSC. En spesiell type innkapsling, kjent som «blanket-cover», der hele enheten dekkes med et polymerlag, har vist seg å hemme utslipp av gassformige nedbrytningsprodukter fra perovskittlaget og det organiske transportlaget. Dette gir en markant forbedring i stabilitet sammenlignet med tradisjonell kantforsegling. Tester har vist at slike innkapslede enheter kan tåle over 1 800 timer i fuktighetstest og gjennomføre 75 fuktfrys-sykluser uten signifikant ytelsestap, noe som overgår kravene i IEC-standarder for solceller.

Materialets rolle i å håndtere termiske og miljømessige påkjenninger er essensiell for PSCs kommersielle gjennombrudd. Materialvalget må balansere mellom prosesseringstemperatur, fysisk og kjemisk stabilitet, samt kostnadseffektivitet. Videre må innkapslingen også ivareta mekanisk beskyttelse og hindre inntrengning av fukt og oksygen, som er hovedårsaker til degradering.

En grundig forståelse av kjemiske og fysiske egenskaper til polymerer brukt i innkapsling er nødvendig for å utvikle enda mer robuste og langlivede perovskittsolceller. Den dynamiske samhandlingen mellom polymerenes molekylære struktur, lamineringstemperatur og perovskittmaterialets følsomhet mot varme og fuktighet skaper et komplekst bilde som må mestres for å optimalisere teknologien. I tillegg til å fokusere på forbedringer av innkapslingsmaterialene, bør man også undersøke forbedringer i selve perovskittlaget og transportlagene, da deres kompatibilitet med innkapslingen i stor grad bestemmer enhetens samlede stabilitet.

For å oppnå kommersiell suksess må man derfor ta hensyn til hele systemet som en integrert enhet hvor hvert lag og materiale må samspille optimalt under varierende miljøforhold og over lang tid. Videre forskning bør også se på langtidseffekter av lys, temperatur og fuktighet under reelle driftsforhold, samt utvikle metoder for å karakterisere og overvåke degradering i felt. Dette vil gi et bedre grunnlag for å forutsi levetid og ytelse i praktisk bruk.

Hvordan evalueres innkapslingen av fleksible perovskittsolceller?

Innkapsling av fleksible perovskittsolceller (PSC) er en kompleks utfordring som krever både innovative materialvalg og nøyaktige evalueringsmetoder. En effektiv oksygenplasma-behandling kan oksidere ureaktive aktive sider, som metylgrupper (-CH3), som oppstår på grunn av steriske hindringer, og dermed danne en tett og holdbar film. Denne behandlingen aktiverer også nye steder ved å oksidere hydrogen bundet til karbonstrukturen og skaper kryssbindinger mellom uavhengige karbonkjeder. Resultatet kan være et ultratynt AlCO-lag som har fremragende barriereegenskaper, blant annet en vanndampgjennomtrengelighet (WVTR) på 1,44×10⁻⁵ g/m²/døgn. Den gode sprekksuppressive funksjonen sikrer at 95 % av barriereytelsen opprettholdes selv etter 10 000 bøyninger med en radius på 3 mm.

Til tross for slike fremskritt, er det fortsatt mangel på standardiserte innkapslingsmetoder for fleksible enheter. Forskningen pågår aktivt for å utvikle egnete tettemidler og substrater som kan møte kravene til produksjon og innkapsling. Når fleksible solceller forbedres i effektivitet og stabilitet, forventes også innkapslingsmetodene å modnes parallelt.

Evaluering av innkapslingens effektivitet er avgjørende. To viktige indikatorer er endringer i materialenes fysiske holdbarhet og lekkasje av fukt eller flyktige komponenter. Under langvarig eksponering mot utendørs forhold kan innkapslingsmaterialene deformeres, svelle, sprekke eller korrodere. Disse endringene kan svekke ytelsen eller føre til fullstendig svikt i enheten. Spesielt i miljøer med høy temperatur og fuktighet kan kjemiske reaksjoner i materialene danne aldringsprodukter som lekker og kontaminerer sensitive komponenter. Noen av disse produktene kan også føre til ledende avleiringer, og dermed kortslutninger eller lekkasjer i solcellen.

For å overvåke og forstå disse prosessene benyttes en rekke karakteriseringsteknikker. Disse måler blant annet vanndamp- og oksygengjennomtrengelighet, glassovergangstemperatur, optisk absorpsjon, smeltetemperatur, mekanisk styrke, elektrisk isolasjonsevne og utslipp av bly. Slik kunnskap gir grunnlag for å optimalisere både materialvalg og innkapslingsdesign.

Langtidstesting av stabilitet for PSC er fortsatt et utfordrende område. Ulike forskningsgrupper benytter varierende metoder, noe som vanskeliggjør sammenligning av resultater og identifisering av degraderingsmekanismer. En del enighet finnes nå rundt prosedyrer basert på ISOS-protokoller (International Summit on Organic Photovoltaic Stability), som er tilpasset perovskittens særegenheter som ionebevegelse under elektriske felt og reversibel degradering. Testene varierer i kompleksitet og stressnivå, fra mørkelagring og bias-stabilitet til lyspåvirkning og termisk syklusering, under kontrollerte temperatur- og fuktighetsforhold.

Disse protokollene gir et felles rammeverk som kan bidra til objektiv og reproduserbar evaluering av innkapslingens holdbarhet. De omfatter blant annet standardiserte lys- og temperaturbelastninger, mørkeperioder, luftfuktighetskontroll, og ulike elektriske belastninger. En slik systematisk testing er avgjørende for å akselerere kommersialiseringen av perovskittsolceller med lang levetid.

Det er viktig å forstå at en optimal innkapsling ikke bare hindrer fuktinntrengning, men også må tåle mekanisk påkjenning uten å sprekke eller deformeres, samtidig som den må være kompatibel med solcellens materialer for å unngå kjemiske reaksjoner som kan forringe ytelsen. Videre må evalueringsmetodene være sensitive nok til å avdekke tidlige tegn på degradering, slik at utviklingen av nye materialer og metoder kan foregå på et vitenskapelig solid grunnlag.

Hva er de viktigste utfordringene for langsiktig stabilitet i perovskittsolceller?

Perovskittsolceller har i løpet av det siste tiåret vist en bemerkelsesverdig forbedring i effektivitet, og teknologien har raskt utviklet seg fra laboratorieeksperimenter til potensielle kommersielle applikasjoner. Til tross for dette står feltet overfor betydelige utfordringer knyttet til den langsiktige stabiliteten til disse solcellene. Flere mekanismer bidrar til degradering, hvorav ionemigrasjon, spesielt av metaller og halider, er sentrale faktorer som fører til funksjonelt tap over tid. Metall-migrasjon, som vist i studier av Domanski et al., forårsaker indre korrosjon og ødeleggelse av cellelagene, noe som svekker ytelsen betydelig.

Effektivitet og stabilitet henger nært sammen, men mange perovskittsolceller opplever en rask reduksjon i ytelse etter kort tids eksponering for lys, varme eller fuktighet. For eksempel har forskere som Kim et al. og Mei et al. utviklet mesostrukturer og hole-transportfrie løsninger for å øke stabiliteten, men disse er ennå ikke fullt ut kommersialiserte på grunn av utfordringer med holdbarhet. Materialvalg, som bruk av ulike perovskittkomposisjoner og additives, har vist seg å påvirke stabiliteten dramatisk. Tilsetning av ioniske væsker og heterojunksjoner har forbedret stabiliteten betydelig i flere studier, som demonstrert av Bai et al. og Li et al.

Et annet kritisk område er grenseflater og defekter i perovskittlaget. Disse områdene fungerer som inngangsporter for degraderende prosesser, hvor ufullstendig passivering av defekter fører til rekombinasjon og nedbrytning av materialet. Khenkin og kolleger har etablert standardiserte prosedyrer for stabilitetstesting (ISOS-protokoller), som er avgjørende for å kunne sammenligne resultater på tvers av laboratorier og utvikle mer robuste celler.

Prosesseringsteknikker som inkjet-printing, spray-coating og doctor blading gjør det mulig å produsere perovskittfilmer i stor skala, men kontroll over filmens krystallinitet og homogenitet er avgjørende for å redusere defekter og dermed øke både effektivitet og stabilitet. De teknologiske utfordringene knyttet til produksjon og materialkontroll understrekes av forskning som fokuserer på nanostrukturering og overflatebehandling for å oppnå dype passiveringer, som vist i arbeider av Chen, Shao og Lee.

En viktig del av stabilitetsproblematikken er også knyttet til ionemigrasjon, spesielt av jodidioner, som fører til faseoverganger og ytelsestap under drift. Det har vist seg at termisk aktivering og anistrop mobilitet av jodid i perovskittlaget er sentrale mekanismer for degradering, noe som krever innovative løsninger for å forhindre disse effektene. I denne sammenheng har avansert grenseflate- og spenningsstyring, samt heterojunksjonsutvikling, vist seg å være lovende veier for å forbedre levetiden til solcellene.

Kombinasjonen av materialvitenskap, prosessoptimalisering og forståelse av degraderingsmekanismer er nøkkelen til å realisere stabile, kommersielt levedyktige perovskittsolceller. Det er likevel viktig å erkjenne at stabilitet ikke bare handler om materialets motstand mot miljøpåvirkninger, men også om integrasjonen av cellekomponenter og hvordan disse samhandler over tid.

For leseren er det viktig å forstå at den optimale balansen mellom effektivitet, stabilitet og produksjonskostnader fortsatt er en aktiv forskningsfront. I tillegg til å fokusere på materialutvikling, krever utviklingen av perovskittsolceller en helhetlig tilnærming som inkluderer pålitelig testmetodikk og realistiske driftsforhold. Den endelige kommersielle suksessen vil avhenge av denne balansen, samt kontinuerlig innovasjon innen både materiale og prosess.

Hvordan lage en handlingsplan som fungerer – Fra visjon til konkrete skritt
Hvordan moderne elektronikk gir håp til de med hørselstap
Hvordan utvikle tekstur og tone i penn og blekk-tegning
Hvordan Donald Trump Gjorde "Exceptional Me"-Strategien Til Sin Egen
Hvordan påvirket Trump-tiden Australias forhold til Kina og USA?