Hvordan perovskitt-solceller produseres: Fra substratbehandling til stabilitet i solceller

Perovskitt-solceller har blitt et lovende alternativ til tradisjonelle silisiumsolceller på grunn av deres kostnadseffektivitet og høye potensiale for energikonvertering. Produksjonsprosessen for perovskitt-solceller innebærer flere nøye kontrollerte trinn, hvor hver fase spiller en avgjørende rolle for solcellens ytelse og stabilitet. Denne prosessen omfatter alt fra substratbehandling og påføring av elektron- og hulltransportmaterialer, til selve perovskittlaget og de avsluttende elektriske komponentene.

Først begynner fremstillingen med forberedelsen av substratene. Vanligvis benyttes FTO-belagt glass (Fluor-doped Tin Oxide) som base for solcellene. For å forberede substratet, benyttes sinkpulver og 2 M HCl til å etse FTO-belagt glass, etterfulgt av skylling med deionisert vann. Deretter renses substratet med ultralyd ved hjelp av et rensemiddel, deionisert vann, aceton og etanol, før det tørkes grundig. For å øke substratets hydrofilisitet, utføres en UV-ozonbehandling i noen minutter. Dette trinnet sikrer at det påfølgende elektrontransportlaget (ETM) kan festes godt på overflaten.

Deretter følger påføringen av perovskittlaget, som krever en nøye kontrollert prosess. Avhengig av hvilken type perovskittmateriale som benyttes – enten det er ren 2D, 3D, en blanding av 2D og 3D eller et 2D/3D dobbeltlag – må en spesifikk forløperoppløsning tilberedes. Denne oppløsningen påføres på ETM-laget under kontrollerte forhold i en inert atmosfære, ofte i en hanskeboks for å hindre forurensning fra fuktighet og oksygen. Påføringsmetodene kan variere, men de mest vanlige inkluderer løsningsteknikker som spin-coating eller fysikalsk dampavsetning (PVD).

Etter at perovskittlaget er på plass, påføres et hulltransportlag (HTL). HTL kan bestå av både organiske og uorganiske materialer. Organiske materialer som PEDOT:PSS eller spiro-OMeTAD er vanlige valg og påføres også via spin-coating. Uorganiske materialer kan påføres ved hjelp av PVD. En viktig forsiktighet under påføringen av HTL er å beskytte perovskittlaget mot skade, spesielt på grunn av dets følsomhet for både temperatur og fuktighet. Til slutt blir et metalllag, som ofte består av gull eller sølv, fordampet på toppen av HTL-laget for å fungere som toppelektrode.

Perovskitt-solceller kan deles inn i ulike arkitekturer basert på hvordan materialene er arrangert. En vanlig konfigurasjon er mesoporøs, hvor et lag av metalloksider som TiO2, SnO2 eller Al2O3 først påføres på FTO-substratet før perovskittlaget og HTL. I planar solceller påføres perovskittlaget direkte på et kompakt TiO2-lag før HTL blir påført. Valget av arkitektur er viktig for både effektivitet og stabilitet, ettersom arkitekturens design påvirker hvordan solcellene reagerer på eksterne faktorer som fuktighet og temperatur.

I tillegg til 3D perovskittmaterialer har forskningen nylig fokusert på 2D, 2D + 3D, og 2D/3D lagdelt perovskitt for å forbedre både stabilitet og ytelse. Perovskittmaterialer i 2D har vist seg å være mer stabile under atmosfæriske forhold enn de rene 3D-materialene, da den organiske mellomromskomponenten i 2D-strukturen gir større hydrofobicitet, noe som beskytter mot fuktighet. Dette gjør at 2D-materialer kan være mer egnet for langvarig drift under varierende miljøforhold.

For å oppnå høy ytelse og stabilitet er det essensielt å kontrollere de ulike dimensjonene i perovskittlaget. Blandingen av 2D og 3D materialer kan bidra til å optimalisere både stabiliteten og effektiviteten i solcellene. I tillegg har 2D/3D lagdelte solceller vist et potensial for å forene de beste egenskapene fra begge materialtyper, og dermed gi bedre beskyttelse mot de negative effektene av fuktighet og varme.

Hvordan XAFS Teknikk Kan Analyseres i Ulike Materialer: Fra Nanokompositter til Magneto-elektroniske Systemer

X-ray Absorption Fine Structure (XAFS) er en kraftfull teknikk for å analysere materialers lokale struktur og sammensetning på atomnivå. Den brukes til å forstå spesifikke egenskaper ved nanostrukturerte og amorfe materialer, inkludert nanopartikler, metaller, glass og magneto-elektroniske systemer. En av hovedutfordringene ved bruk av XAFS er å tolke dataene som ikke alltid har en entydig løsning på grunn av de komplekse strukturene i de studerte materialene. Dette gjelder spesielt for systemer med små klynger eller amorfe stoffer, hvor strukturen kan være intrikat og variasjonen mellom individuelle klynger kan være betydelig.

En viktig anvendelse av XAFS er speksjonering av materialer der kjernekohesjon og skjellatomer kan analyseres ved hjelp av koordinasjonsanalyse. For eksempel, i et Pt-Ag-komposittsystem, kan analysen vise at Pt danner kjernen med Ag som skjell, eller omvendt, avhengig av atomfordelingen. Dette skjer selv i tilfeller med interfasisk blanding, hvor begge elementene er tilstede i klyngene, men i forskjellige koordinasjonsnumre, noe som skaper utfordringer for å nøyaktig rekonstruere strukturen. XAFS kan hjelpe til med å beregne og tilpasse kjerne- og skjellstørrelse, tykkelse på skjellene, og graden av blanding av komponentene i slike systemer.

XAFS gir verdifull informasjon om det strukturelle bildet av metaller i glassform, et område hvor konvensjonelle teknikker som røntgendiffraksjon ofte har begrenset anvendelse på grunn av de amorfe egenskapene til glass. For eksempel, i Ni-Al-Zr metallglass kan XAFS analysere koordinasjonen rundt Ni-sentriske klynger og vise hvordan disse klyngene kan bestå av Ni-Ni, Ni-Al og Ni-Zr bindinger. Selv om XAFS ikke kan oppløse individuelle klynger, kan det gi tilstrekkelig informasjon for å bygge opp et gjennomsnittsbilde av strukturen. Dette er viktig for å forstå egenskaper som bøyning, symmetri og forvrengning i glassstrukturer, som igjen har betydning for materialets stabilitet og ytelse.

I slike materialer kan XAFS også hjelpe med å skille mellom de forskjellige bidragene til transportmekanismen, for eksempel ved å bruke polarisasjonsavhengig XAFS for å adskille de plan- og aksialle bidragene til elektrontransporten. Dette er spesielt viktig i systemer hvor de makroskopiske egenskapene er påvirket av subtile lokale strukturelle endringer som kan være usynlige for tradisjonelle diffraksjonsteknikker.

XAFS-teknikkens rolle i å undersøke amorfe materialer, som metallglass, og i systemer med små klynger, har åpnet opp nye muligheter for å forstå atom- og molekylinteraksjoner i disse materialene. Det gir innsikt i hvordan strukturen til materialene påvirker deres makroskopiske egenskaper, som stabilitet, ledningsevne og magnetisme. For å få mest mulig ut av XAFS-analyse er det viktig å forstå begrensningene og de praktiske utfordringene som kan oppstå ved analysen av komplekse systemer med ujevne klynger eller amorfe strukturer.

For en grundigere forståelse av slike materialer bør XAFS kombineres med andre teknikker som molekylære dynamikkimuleringer for å få et fullstendig bilde av atomstrukturene. I tillegg bør spektrene som samles inn ha høy kvalitet og dekke et bredt område for å sikre at alle potensielle usikkerheter i analysen minimeres. For kompleksere systemer er det nødvendig med avanserte modeller for å trekke presise konklusjoner om materialstrukturen og dens egenskaper.

Hvordan defekter i krystallstrukturer påvirker materialers egenskaper

Blant de mest kjente defektene er punktdefektene. Disse oppstår når et atom mangler på et bestemt sted i gitteret, et fenomen kjent som vakans. Denne typen defekt kan skapes ved oppvarming av materialet, og det fører til en reduksjon i volumet på krystallene. Vakansdefektene kan videre deles inn i F- og V-sentre, der F-sentrene dannes når et elektron fangas i en anionvakans, mens V-sentrene oppstår når et hull fanges i en kationvakans. I noen tilfeller kan slike defekter også oppstå som aggregater, der flere F- eller V-sentre er koblet sammen.

En annen type punktdefekt er antisites, der atomer bytter plass i gitteret. Dette kan føre til alvorlige forstyrrelser i den opprinnelige symmetrien til krystallen og påvirke materialets egenskaper betydelig. Et klassisk eksempel på dette er når et A-atom i et krystallgitter plasseres på en posisjon som normalt ville vært opptatt av et B-atom. Dette kan føre til endringer i både den elektriske og kjemiske stabiliteten til materialet.

Interstitielle defekter, som oppstår når et atom tar plass på et sted hvor det vanligvis ikke er et atom, er også vanlige. Disse defektene har høyere dannelsesenergi, men små atomer som hydrogen kan danne interstitielle defekter uten høy energi, som i tilfelle palladium. Interstitielle defekter øker tettheten i materialet og kan også føre til endringer i materialets mekaniske egenskaper, ettersom de kan forårsake ytterligere stress i gitterstrukturen.

Frenkel-defekter, som involverer både en vakans og et interstitielt atom, oppstår i ioniske forbindelser hvor det er en stor størrelseforskjell mellom de ulike ionene, for eksempel i ZnS eller AgCl. Antisite-defektene, som oppstår når atomer bytter plass på feil steder i gitteret, kan også skape store forstyrrelser i materialstrukturen og dermed endre både materialets kjemiske og fysiske egenskaper. I tilfeller hvor materialet er utsatt for forurensninger, kan substi tusjonsdefekter oppstå, der et forurensende atom erstatter et av de opprinnelige atomene i gitteret. Dette kan føre til endringer i materialets elektriske egenskaper, spesielt dersom de forurensende atomene er forskjellige i størrelse eller elektrisk ladning fra de originale atomene.

Planardefekter, som grenseflater mellom forskjellige krystallkorn, kan også påvirke materialets egenskaper. Slike defekter finnes vanligvis i polykrystallinske materialer og kan ha stor innvirkning på deres elektriske og mekaniske egenskaper. Eksempler på planardefekter inkluderer grain boundaries, stapelfeil og tvillinggrenselager.

For å forstå og utnytte defektene i materialer, er det viktig å benytte avanserte teknikker for karakterisering. High-resolution transmission electron microscopy (HRTEM) og scanning transmission electron microscopy (STEM) er spesielt nyttige for å studere punktdefektene på atomnivå. Disse teknikkene gir bilder med sub-angstrom oppløsning, noe som gjør det mulig å se nøyaktig hvordan atomer er arrangert i materialet, og hvordan defekter påvirker denne strukturen. Andre teknikker som X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), Raman-spektroskopi og positron annihilation lifetime spectroscopy (PALS) gir også verdifull informasjon om defektene og deres effekter på materialets egenskaper.

For materialer som er utformet for langvarig vedvarende luminescens (LPL) eller mekanisk lystrapping, er det å kontrollere og modifisere defektene avgjørende for å oppnå ønskede ytelsesnivåer. Jo bedre vi forstår hvordan defektene dannes og hvordan de påvirker materialets struktur og egenskaper, desto bedre kan vi tilpasse materialene til spesifikke behov.