09392522438  
 EN | FA

 

نسل جدید سلول های خورشیدی، پروسکایت های هیبریدی آلی-معدنی

گزارشات اخیر طول نفوذ بیش از μm1 را برای الکترون-حفره در پروسکایت های ترکیبیِ هالوژن دارِ آلی-معدنی نشان داده اند.

این مشاهدات انتظارات را در زمینه ی ساخت سلول های خورشیدی ارزان و کارآمد بالا برده است [1].

موادی که فرمول شیمیایی آنها ABX3 و ساختار مکعبی دارند به عنوان مواد پروسکایت شناخته می شوند و این نام پس از کشف ترکیب CaTiO3 مورد استفاده قرار گرفت [2].

در این فرمول شیمیایی جایگاه ها ی A و B می توانند کاتیون های غیر آلی با ظرفیت و شعاع یونی متفاوت باشند.

به روش دیگر، گونه های آلی مناسب می توانند جایگزین کاتیون A شده و مواد ترکیبی آلی-غیرآلی را تولید کنند [3] (شکل 1).

 

 

perovskite under solar

شکل ‏1: ساختار بلوری امکانپذیر پروسکایت های هالوژن دار CH3NH3PbI3.

خواص فیزیکی جالب توجهی مانند مقاومت مغناطیسی[1]، فروالکتریسیته[2] و ابررسانایی[3] در پروسکایت ها در طی یک قرن گذشته کشف شده است [3, 4]. به تازگی، پروسکایت های هیبریدی آلی-معدنی (بویژه CH3NH3PbX3 که X= I, Cl, Br) در نتیجه ی عملکرد بالایشان در تبدیل نور خورشید به الکتریسیته، با PCE گزارش شده ای فراتر از 20% در سال 2015 [4]، مورد توجه بیشتری قرار گرفته اند. این نتایج چشمگیرتر خواهند بود اگر بدانیم که نخستین سلول خورشیدی پروسکایتی در سال 2009 با PCE اندکی در حدود 8/3% گزارش شده بود [5].

این نمونه ی اولیه بر پایه ی معماری قدیمی سلول های خورشیدی حساس به رنگ ساخته شده بود که در آن ترکیبات آلی-معدنی بر روی لایه مزومتخلخل TiO2 قرار داده شده (شکل 2 ب) بود. کارهای اخیر نشان داده است که ساختارهای ساده تری با ایجاد یک لایه ی پروسکایتی ساندویچ شده بین یک لایه ی نازک و فشرده از TiO2 و یک ترکیب آلی هدایت کننده ی حفره (شکل 2 الف) نیز می تواند نور خورشید را با بازدهی بالاتر از 10% به الکتریسته تبدیل کند [6].

 

structure of perovskites

شکل 2: معماری سلول خورشیدی پروسکایتی. الف) سلول خورشیدی پروسکایتی لایه ای. ب) سلول خورشیدی پروسکایتی بر روی مزومتخلخل TiO2[7].

 

بطور قطع چنین شیبی در منحنی یادگیری در طراحی و توسعه ی پروسکایت های هیبریدی در زمینه تحقیقات فوتوولتائیک بی سابقه بوده است. با این حال کشف مکانیزم پشت این عملکرد استثنایی با چنین سرعتی رشد نکرده است.

تحقیقاتی که به تازگی توسط هنری جی اسنیت[4] و همکارانش [8] و تز سی سام[5] و همکارانش [9] بطور مستقل از یکدیگر پیرامون اندازه گیری طول نفوذ الکترون-حفره در پروسکایت های هیبریدی در نشریه ساینس[6] منتشرشده است، مسیر کشف دینامیک برانگیختگی های اکسیتونی[7] را در این مواد روشن تر کرده است. هر دو تیم به کمک آزمایش نورتابی[8] موفق به اندازه گیری طول نفوذ الکترون-حفره شدند.

آن ها بر روی یک لایه ی نازک پروسکایتی، لایه ای از مولکول های خاموش کننده[9] نشاندند تا به مانند چاهی برای الکترون-حفره هایی که درون لایه ی نازک حرکت می کنند و به سطح لایه ی پروسکایتی و لایه ی خاموش کننده می رسند، عمل کنند. این نورتابی مواد مورد مطالعه بستگی به ضخامت لایه ی نازک و طول نفوذ (LD) ذرات برانگیخته ی نوری دارد که این پارامتر را می توان به کمک مدل کردن منحنی واهلش نورتابی بر اساس معادله ی پخش یک بعدی ساده استخراج کرد.

یکی از چالش برانگیزترین جنبه های این تکنیک تعیین دقیق "طول جابجایی[10]" ذرات برانگیخته می باشد. به عبارت دیگر ضخامت لایه ی مورد بررسی می بایست دقیقا مورد کنترل قرار گیرد تا کمترین خطا را در محاسبه ی LD داشته باشیم. در همین رابطه، تلاش های اسنیت و همکارانش در زمینه ی بهینه سازی ضخامت لایه ی پروسکایتی [7] که در کارهای گذشته ایشان انجام شده امکان یک برآورد قابل اعتماد از طول نفوذ الکترون-حفره را فراهم آورد. هر دو گروه، LD حدود nm 100 را برای الکترون و حفره در ترکیب CH3NH3PbI3 گزارش کردند. به علاوه، گروه اسنیت پروسکایت های ترکیبی از هالوژن ها (CH3NH3PbI3-xClx) را نیز بررسی کردند و در این موارد، LD فراتر از μm 1 را بدست آوردند. این عدد بزرگ، امیدها را قوت بخشید زیرا در اینصورت امکان ساخت سلول های خورشیدی ای با لایه ی فعال ضخیمتری فراهم می شود. در این صورت جذب نور افزایش می یابد بدون آنکه بر روی بهره ی جمع آوری حامل های تولید شده تاثیری بگذارد. تحت این شرایط PCE بیش از 15% امکانپذیر خواهد بود.

 

اما چه چیزی همچنان مطالعه ی اینگونه مواد را به این اندازه هیجان انگیز کرده در حالی که PCE آن ها هنوز از نمونه های رایج فوتوولتائی دیگر مانند سلول تک بلور سیلیسیم (PCE حدود 25%) و لایه ی نازک مس-ایندیم-گالیم (PCE حدود 4/20%) فاصله دارد؟

پاسخ در هزینه ی تولید پایین تر تکنولوژی فوتوولتائی مبتنی بر پروسکایت نهفته است. در واقع، این مواد می توانند مستقیماً از حالت محلول لایه نشانی شوند، رهیافتی ارزان و تنظیم پذیر که مهمترین چالش تکنولوژی های جایگزینی مانند فوتوولتائی های آلی[11]، سلول های خورشیدی حساس به رنگ و سلول های خورشیدی کلوئیدی مبتنی بر نقاط کوانتومی[12] می باشد.

در مقابل اینگونه دستگاه ها، که در حال حاضر به نظر نمی رسد که قادر باشند بهره ی خود را به بیش از 10% برسانند، پروسکایت ها هم فرآیند ساخت ساده تر و هم بازده توان تبدیلی بالاتری دارند، که این ویژگی ها احتمالا به خاطر طبیعت هیبریدی آنان می باشد.

در واقع، ترکیبات آلی، پروسکایت ها را حل پذیر و فرآیند خودمونتاژی[13] آنها را تسهیل کرده و امکان لایه نشانی آنها را از حالت محلول فراهم نموده است. در همین حین، ترکیبات معدنی چهارچوب گسترده ای را به واسطه ی برهمکنش های قوی کووالانسی و یونی شکل می دهند که به احتمال زیاد عامل اصلی حفظ ساختار بلوری لایه های نشانده شده بوده و متضمن تحرک نسبتا خوب حامل های پروسکایت ها می باشد [3].

همانگونه که توسط اسنیت و همکارانش نشان داده شد، ساختارهای پروسکایتی آلایش یافته با هالوژن های مختلف منجر به طول نفوذ حامل های (یا اکسیتون) بیشتر از µm 1 شده است که این عدد نسبت به طول انتشار nm 10 گزارش شده برای سلول های خورشیدی مبتنی بر پلیمر-فلورن، قابل ملاحظه است [10].

پس از این نتایج جالب توجه و مشاهده ی بهره ی بالای این گونه سلول های خورشیدی، اکنون نوبت آن است که خواص فیزیکی ای که منجر به امیدبخش بودن پروسکایت های هیبریدی برای تبدیل انرژی خورشیدی به الکتریسیته می شود را تحلیل و بررسی کرد. نکته ی دیگری که باید به آن پرداخت، همانگونه که اسنیت و همکارانش در حال بررسی آن هستند، پاسخ به این سوال است که آیا حامل هایی که در این دسته از مواد تولید می شوند اکسیتون هستند یا ذرات آزاد باردار.

همچنین می توان جنبه های دیگری را نیز بررسی کرد:

  • تحرک الکترون و حفره ها در این ساختارها چگونه است؟
  • ساختار شیمیایی پروسکایت های هیبریدی چگونه است و چطور بر رفتارهای ترابردی ذرات تولید شده ی نوری تاثیر می گذارد؟
  • نقش دقیق هر یک از اتصالات پیشنهاد شده برای اینگونه از سلولهای خورشیدی چیست؟
  • آیا سلول های خورشیدی پروسکایتی پایدار هستند؟
  • و سرانجام، آیا امکان دارد که بتوان بهره ی اپتیکی و الکتریکی بالایی از ترکیبات آلی-معدنی بدون سرب بدست آورد تا آسیب های زیست محیطی و سمیت این تکنولوژی نوپا را در آینده کاهش داد؟

تنها یک تلاش گسترده و منظم قادر خواهد بود به این سوالات پاسخ داده و از یک عنوان هیجان انگیز به یک تکنولوژی گسترده و ارزان در زمینه ی سلول های خورشیدی منجر شود.

 

Reference:

[1]        Loi MA & Hummelen JC (2013) Hybrid solar cells: perovskites under the sun. Nature materials 12(12):1087.

[2]        Wenk H-R & Bulakh A (2016) Minerals: their constitution and origin (Cambridge University Press).

[3]        Mitzi DB (1999) Synthesis, structure, and properties of organic‐inorganic perovskites and related materials. Progress in inorganic chemistry:1-121.

[4]        Polyakov AO, Arkenbout AH, Baas J, Blake GR, Meetsma A, Caretta A, van Loosdrecht PHM, & Palstra TTM (2011) Coexisting ferromagnetic and ferroelectric order in a CuCl4-based organic–inorganic hybrid. Chemistry of Materials 24(1):133-139.

[5]        Kojima A, Teshima K, Shirai Y, & Miyasaka T (2009) Organometal halide perovskites as visible-light sensitizers for photovoltaic cells. Journal of the American Chemical Society 131(17):6050-6051.

[6]        Eperon GE, Burlakov VM, Docampo P, Goriely A, & Snaith HJ (2014) Morphological control for high performance, solution‐processed planar heterojunction perovskite solar cells. Advanced Functional Materials 24(1):151-157.

[7]        Stranks SD & Snaith HJ (2015) Metal-halide perovskites for photovoltaic and light-emitting devices. Nature nanotechnology 10(5):391.

[8]        Stranks SD, Eperon GE, Grancini G, Menelaou C, Alcocer MJP, Leijtens T, Herz LM, Petrozza A, & Snaith HJ (2013) Electron-hole diffusion lengths exceeding 1 micrometer in an organometal trihalide perovskite absorber. Science 342(6156):341-344.

[9]        Xing G, Mathews N, Sun S, Lim SS, Lam YM, Grätzel M, Mhaisalkar S, & Sum TC (2013) Long-range balanced electron-and hole-transport lengths in organic-inorganic CH3NH3PbI3. Science 342(6156):344-347.

[10]      Mikhnenko OV, Azimi H, Scharber M, Morana M, Blom PWM, & Loi MA (2012) Exciton diffusion length in narrow bandgap polymers. Energy & Environmental Science 5(5):6960-6965.

 


[1]Colossal magnetoresistance

[2]Ferroelectricity

[3]Superconductivity

[4]Henry J. Snaith

[5]Tze C. Sum

[6]Science

[7]Exciton excitation

[8]Luminescence

[9]Quenching Molecule

[10]Travelling distance

[11]Organic photovoltaic

[12]Colloidal quantum dot-based solar cell

[13]Self-assembly

Published in مقاله

مشکلات پیش روی توسعه ی سلول های خورشیدی پروسکایتی

با تمامی این ویژگی ها، هنوز برخی مسائل و مشکلات حل نشده مورد مناقشه وجود دارد.

در این میان، مهمترین نگرانی پیرامون دقت مقدار بازده های گزارش شده است. بطور خاص، رفتار پسمان[1] منجر به وابستگی شدید جریان نوری[2] به شرایط جاروب ولتاژ خروجی می شود که به ویژه در برخی سلول های خورشیدی پروسکایتی گزارش شده است [1].

این امر منجر به شک و تردیدهایی نسبت به اعتبار مقادیر گزارش شده ی بازدهی این سلول ها گردیده که ممکن است به پدیده ی پسمان مربوط باشد. محققین این رشته می بایست توجه مضاعفی را نسبت به صحت مطالعات خود چه در زمینه ی مواد و چه در زمینه ی تکنولوژی های مورد استفاده، بخصوص در مراحل اولیه، مبذول دارند.

خطرات مربوطه به عدم کاربرد دقیق تجهیزات و روش های توصیه شده، بارها مورد بحث قرار گرفته و دستورالعمل های شفافی برای جلوگیری از اشتباهات رایج در ارزیابی بهره ی تبدیل نور در تکنولوژی های فوتوولتائی وضع گردیده است [2-4].

رفتارهای غیرمعمولی که ممکن است منجر به تخمین های نادرست عملکرد دستگاه شود، می بایست بطور مفصل مورد بحث قرار گیرد و دستورالعمل های مشخصه یابی بر این اساس بروز شوند.

با تمام این ها، بازده تنها عامل تعیین کننده برای مناسب بودن یک قطعه برای کاربردهای واقعی نیست. پایداری عملیاتی[3] و مدت زمانی که طول می کشد تا قطعه مستهلک شود، نیز می بایست مورد توجه قرار بگیرند.

تاکنون، پایداری عملیاتی رضایت بخشی برای پروسکایت ها گزارش نشده است.

متاسفانه، پایداری دمایی پایین مواد پروسکایتی پایه ی این نوع از سلول های خورشیدی، که در حدود دمای ̊C 70 می باشد، نشان می دهد که بحث پایداری این قطعات چالش بزرگی برای سلول های خورشیدی پروسکایتی خواهد بود [5].

بنابراین پایداری عملیاتی و طول عمر قطعات خورشیدی ساخته شده به کمک این مواد و مقاومت آن ها در برابر رطوبت از دیگر مواردیست که می بایست جهت کاربرد های گسترده ی صنعتی مورد توجه قرار گیرد.

ژیآو[4] و همکارانش به تازگی گزارش داده اند که پروسکایت ها شدیدا نسبت به میدان الکتریکی واکنش نشان می دهند [6].

زمانی که میدان الکتریکی شدیدی به سلول های خورشیدی پروسکایتی اعمال شود، سلول به طور کامل قطبیده شده و قطبیدگی آن کاملا عوض می شود. در نتیجه در ماژول ها که تعداد زیادی سلول بصورت سری به یکدیگر متصل شده اند، اختلاف پتانسیل بزرگی پدید می آید. به تازگی، چنین اثری در سلول های خورشیدی سیلیکونی (بلوری) منجر به مشکلات جدی ای شده است، آن هم در تکنولوژی ای که باور عمومی بر خدشه ناپذیر بودن آن بوده است.

بنابراین، آزمایش های دقیق بیشتری برای ارزیابی پایداری سلول های پروسکایتی در کاربردها و وضعیت های واقعی نیاز است.

 

 

در نهایت یک موضوع بحث برانگیز دیگر در موفقیت تکنولوژی پروسکایتی باقی می ماند و آن پذیرش ماده سمی سرب است. در حالی که مقدار سرب بکار رفته بسیار اندک است (بسیار کمتر از یک گرم بر متر مربع) آیا یک تکنولوژی "سبز" حاوی سرب در شرایطی که استفاده از سرب در کاربردهای الکترونیکی ممنوع شده است، قابل پذیرش است؟

جایگزینی سرب بسیار چالش برانگیز خواهد بود. بازدهی بدست آمده از جایگزین های دیگر سرب مانند قلع کمتر از 10% بوده است. و این موضوع مانع بزرگی بر سر راه توسعه ی سلول های خورشیدی مبتنی بر پروسکایت خواهد بود.

 

 

Perovskite problems

 

 

References:

[1]        Snaith HJ, Abate A, Ball JM, Eperon GE, Leijtens T, Noel NK, Stranks SD, Wang JT-W, Wojciechowski K, & Zhang W (2014) Anomalous hysteresis in perovskite solar cells. The journal of physical chemistry letters 5(9):1511-1515.

[2]        Snaith HJ (2012) The perils of solar cell efficiency measurements. Nature Photonics 6(6):337.

[3]        Yang X, Yanagida M, & Han L (2013) Reliable evaluation of dye-sensitized solar cells. Energy & Environmental Science 6(1):54-66.

[4]        Luque A & Hegedus S (2011) Handbook of photovoltaic science and engineering (John Wiley & Sons).

[5]        Niu G, Guo X, & Wang L (2015) Review of recent progress in chemical stability of perovskite solar cells. Journal of Materials Chemistry A 3(17):8970-8980.

[6]        Xiao Z, Yuan Y, Shao Y, Wang Q, Dong Q, Bi C, Sharma P, Gruverman A, & Huang J (2015) Giant switchable photovoltaic effect in organometal trihalide perovskite devices. Nature materials 14(2):193.

 


[1]Hysteretic

[2]Photocurent

[3]Operational stability

[4]Xiao

Published in مقاله

 

محاسبات ساختاری انجام شده بر روی پروسکایت ها

پروسکایتها، با فرمول شیمیایی ABX3 (شکل-1)، بطور معمول سلول واحدی شامل 5 اتم در یک ساختار مکعبی دارند (فاز α)، که در آنها کاتیون B، 6 همسایه ی اول و آنیون X و کاتیون A هر کدام 12 همسایه اول دارند [1].

 

Perovskite unit cell

شکل-1: سلول واحد پروسکایت ABX3 [2].

در وضعیت ایده آل، این ساختار برای آنکه حداکثر تقارن مکعبی را حفظ کند، شعاع یون های A، B و X باید طوری باشند که ضریب تلورانس[1] t تقریبا برابر یک شود:

(‏2‑1)

t=(RA+RX)/[(√2)(RA+RX)]

که در این رابطه RA، RB و RX به ترتیب شعاع یون های متناظر ساختار ABX3 هستند. انحراف از مقدار 1 باعث می شود ساختار مکعبی واپیچیده[2] شده و بلور تقارن کمتری خواهد داشت. باید توجه داشت، برای آنکه t≈1 باشد یون A می بایست بسیار بزرگتر از یون B باشد. در پروسکایت های هالوژنی، جایگاه B معمولا با اتم های بزرگ Pb یا Sn اشغال شده و بنابر این اتم A می بایست بسیار بزرگتر باشد. Cs تقریبا بزرگترین اتم گروه I جدول تناوبی عناصر می باشد. اما با این حال Cs به اندازه ی کافی برای حفظ پایداری ساختار مکعبی پروسکایت بزرگ نیست، بنابراین می بایست توسط یک مولکول بزرگ جایگزین شود. شاید دلیل آنکه ترکیب CH3NH3PbI3 پایدارتر بوده و عملکرد بهتری نسبت به CsPbI3 دارد همین باشد.

در دماهای محدود اگر1<t<8/0 باشد ساختار مکعبی همچنان وجود خواهد داشت [3]کمترین مقدار t منجر به ساختار چهارگوش[3] با کمترین تقارن (فاز β) و یا لوزی رخ[4] (فاز γ) می گردد، در حالی که مقدار بزرگ t (t>1) پایداری شبکه ی سه بعدی B-X را برهم زده و منجر به یک ساختار دوبعدی و لایه ای می شود. لازم به یادآوری است که در محاسبات DFT در دمای صفر، فاز γ همیشه پایدارترین فاز بوده و فاز α ناپایدار می باشد، چرا که نمی تواند شرط t=1 را برآورده کند. با این وجود، در دمای محیط اغلب انتقال از یک فاز به فاز دیگر اتفاق می افتد [4, 5]. در حقیقت، مدهای فونونی آکوستیک عرضی به راحتی آنیون X را از وسط فاصله ی اتمهای B-B فاز مکعبی جابجا می کنند. به خاطر شعاع یونی متفاوت و استحکام متفاوت ساختارها، دمای گذار پروسکایت های مختلف با یکدیگر فرق می کنند. برای پروسکایت CH3NH3PbI3 گذار فاز α به β به γ، به ترتیب در دماهای K 330 و K 160 رخ میدهد [6]. برای برخی پروسکایت ها مانند HC(NH2)2PbI، FAPbI3، CsPbI3 و CsSnI3 یک فاز δ غیرپروسکایتی نیز یافت شده است [4, 5]. بر خلاف فاز β و γ، فاز δ نمی تواند از فاز α بر اثر واپیچش زاویه ی B-X-B پدید بیاید، بلکه در عوض با شکسته شدن پیوند B-X بوجود می آید.

Perovskite training CH3NH3PbI3

شکل-2: ساختار پروسکایت CH3NH3PbI3، الف) فاز α، ب) فاز β، ج) فاز γ، د) فاز δ ا[7].

 

ساختار اتمی پروسکایت های آلی-معدنی پیچیده تر از پروسکایت های معدنی هستند. مولکول آلی، با تقارن غیر مرکزی، می تواند آرایش و جهتگیری های گوناگونی را به خود بگیرد (شکل-2). برای ترکیب CH3NH3PbI3 در فاز α مولکلول CH3NH3 در دماهای بالا آرایش تصادفی داشته و در نهایت بلور تقارن Oh به خود می گیرد. در دماهای معمولی (فاز β) آزادی مولکول CH3NH3کاهش یافته ولی هنوز جهتگیری فضایی متنوعی دارد. در دماهای پایین (فاز γ) مولکول CH3NH3 در جای خود ثابت بوده و جهتگیری های منظمی خواهند داشت [5].

بی نظمی جهتگیری مولکولها در فاز α و β را نمی توان در یک سلول واحد محدود مدل سازی کرد. برای فاز α با مقایسه ی انرژی های ساختار CH3NH3PbI3 در شرایطی که پیوند C-N در راستاهای [001]، [110] و [111] جهتگیری کرده اند، کمترین انرژی و پایدارترین حالت قرار گیری پیوند C-N در راستای [111] بدست آمده است. اما مطالعات محدودی نیز به پایدارتر بودن راستای [001] اشاره کرده اند، البته تفاوت چندانی وجود نداشته است. لازم به ذکر است که ساختار نواری و الکترونی CH3NH3PbI3 به جهتگیری CH3NH3 بستگی چشمگیری ندارد. نتایج محاسباتی و تجربی پارامتر شبکه ی فازهای α، β، γ و δ در جدول-1 گزارش شده است [1].

Calculated grid parameter and band gap

جدول-1: پارامتر شبکه و گاف نواری محاسبه شده برای سه فاز CH3NH3PbX3 (X=I, Br, Cl) و مقایسه آنها با نتایج تجربی. چون مولکول CH3NH3 تقارن مرکزی ندارد، برای فاز α پارامتر شبکه ی محاسبه شده برای شبه مکعب بصورت a=V1/3 و همچنین برای فاز β، a=1/2(a+b) تعریف شده است [8].

گزارش هایی که منتشر شده نشان می دهند که تقریب LDA پارامتر شبکه را کمتر از مقدار واقعی و تقریب GGA بیشتر از مقدار واقعی محاسبه می کنند. با این حال محققین، برای ترکیب CH3NH3PbI3، برآورد بیشتر پارامتر شبکه های محاسبه شده به روش GGA-(PBE)، را به برهمکنش های واندروالسی نادیده گرفته شده مابین CH3NH3 و شبکه ی [Pb-I] نسبت داده اند [9]. زمانی که برهمکنش دافعه ای وارد محاسبات می شود پارامترهای شبکه محاسبه شده با نتایج تجربی توافق خوبی خواهند داشت [9-11]. بر همین اساس برهمکنش های واندروالس در پروسکایت های هیبرید هالیدی به نظر بسیار مهم می آیند. البته باید اشاره کرد که اهمیت برهمکنش واندروالس به دو دلیل مهم زیر است:

اولاً، تقریب GGA/PBE نه فقط برای CH3NH3PbI3 بلکه برای سایر ترکیبات نیز منجر به بیشتر برآورد کردن پارامتر شبکه ها می شود و این اتفاق ناشی از مشکل ذاتی این تابع تبادلی-همبستگی است و نه نوع ماده. ثانیاً، اگر برای پروسکایت معدنی CsPbI3 برهمکنش دافعه ای را در نظر بگیریم، پارامتر شبکه ی محاسبه شده با نتایج تجربی یکی خواهد شد. یعنی استفاده از تقریب GGA است که منجر به کاهش طول پیوند ترکیبات می شود و با اضافه کردن برهمکنش دافعه ای به محاسبات، طول پیوندها افزایش یافته و خطای تقریب GGA اصلاح می شود. این نتایج نشان می دهند که CH3NH3 به مانند یک یون رفتار کرده و برهکنش CH3NH3 و [Pb-I] مشابه برهمکنش Cs و [Pb-I] بوده و ویژگی های یونی از خود نشان می دهد. تاکنون برای پروسکایتهای ترکیبی، نتایج بهینه سازی ساختاری با تقریب PBEsol

بهترین همخوانی را با نتایج تجربی حاصل از پراش نوترون و اشعه ی X داشته است (جدول-2).

 

 

Experimental and theoretical values of lattice parameter and bond length

جدول-2: مقادیر تجربی و نظری پارامتر شبکه و طول پیوند های CH3NH3PbI3DFT[11], X-ray[4], X-ray3[5], Neutron[12], X-ray5[13].

References

[1]        Yin W-J, Yang J-H, Kang J, Yan Y, & Wei S-H (2015) Halide perovskite materials for solar cells: a theoretical review. Journal of Materials Chemistry A 3(17):8926-8942.

[2]        Yin W-J, Shi T, & Yan Y (2014) Unusual defect physics in CH3NH3PbI3 perovskite solar cell absorber. Applied Physics Letters 104(6):063903.

[3]        Li C, Lu X, Ding W, Feng L, Gao Y, & Guo Z (2008) Formability of ABX3 (X= F, Cl, Br, I) Halide Perovskites. Acta Crystallographica Section B: Structural Science 64(6):702-707.

[4]        Baikie T, Fang Y, Kadro JM, Schreyer M, Wei F, Mhaisalkar SG, Graetzel M, & White TJ (2013) Synthesis and crystal chemistry of the hybrid perovskite (CH 3 NH 3) PbI 3 for solid-state sensitised solar cell applications. Journal of Materials Chemistry A 1(18):5628-5641.

[5]        Stoumpos CC, Malliakas CD, & Kanatzidis MG (2013) Semiconducting tin and lead iodide perovskites with organic cations: phase transitions, high mobilities, and near-infrared photoluminescent properties. Inorganic chemistry 52(15):9019-9038.

[6]        Ball JM, Lee MM, Hey A, & Snaith HJ (2013) Low-temperature processed meso-superstructured to thin-film perovskite solar cells. Energy & Environmental Science 6(6):1739-1743.

[7]        Yin WJ, Shi T, & Yan Y (2014) Unique properties of halide perovskites as possible origins of the superior solar cell performance. Advanced Materials 26(27):4653-4658.

[8]        Yin W-J, Yan Y, & Wei S-H (2014) Anomalous alloy properties in mixed halide perovskites. The journal of physical chemistry letters 5(21):3625-3631.

[9]        Egger DA & Kronik L (2014) Role of dispersive interactions in determining structural properties of organic–inorganic halide perovskites: insights from first-principles calculations. The journal of physical chemistry letters 5(15):2728-2733.

[10]      Wang Y, Gould T, Dobson JF, Zhang H, Yang H, Yao X, & Zhao H (2013) Density functional theory analysis of structural and electronic properties of orthorhombic perovskite CH3NH3PbI3. Physical Chemistry Chemical Physics 16(4):1424-1429.

[11]      Menéndez-Proupin E, Palacios P, Wahnón P, & Conesa JC (2014) Self-consistent relativistic band structure of the CH 3 NH 3 PbI 3 perovskite. Physical Review B 90(4):045207.

[12]      Eames C, Frost JM, Barnes PRF, O’regan BC, Walsh A, & Islam MS (2015) Ionic transport in hybrid lead iodide perovskite solar cells. Nature communications 6:7497.

[13]      Weller MT, Weber OJ, Henry PF, Di Pumpo AM, & Hansen TC (2015) Complete structure and cation orientation in the perovskite photovoltaic methylammonium lead iodide between 100 and 352 K. Chemical Communications 51(20):4180-4183.


[1]Tolerance factor

[2]Distorted

[3]Tetragonal

[4]Orthorhombic

Published in مقاله

 

 

 

Solarcell DFT 

 

 مدل سازی خواص سلول های خورشیدی  در تئوری تابعی چگالیDFT

 

به منظور شناسایی مواد جدید برای ساخت نسل های جدید سلول های خورشیدی مانند سلول های خورشیدی پروسکایتی، اورگانیک و ... لزوم بررسی خواص ساختارهای مختلف به جد لازم است. در این بین با توجه به کار سلول های خورشیدی در طیف نور مرئی، هر ماده ای را نمی توان برای کار به عنوان ماده ی جاذب نور در این ادوات به کار برد. از این رو محاسبات ابتدا به ساکن می تواند پیش بینی های بسیار دقیقی در طراحی مواد جدید برای استفاده در سلول های خورشیدی در اختیار ما بگذارد.

در تئوری تابعی چگالی (DFT) امکان بررسی خواص مختلف مواد مورد استفاده در سلول های خورشیدی فراهم می باشد که در زیر بصورت خلاصه قید شده است:

    • طیف های اپتیکی در رنج نور مرئی
    • پایداری ساختار در دمای کار ماده
    • انرژی بستگی اکسیتون های تشکیل شده پس از جذب فوتون فرودی
    • تاثیر زیرلایه بر خواص ماده ی جاذب
    • تاثیر لایه ی محافظتی بر خواص ماده ی جاذب

Solarcell DFT

 

 

در این حوزه ی محاسباتی، می توان پروژه های کارشناسی ارشد و دکتری بسیاری را در رشته های شیمی، فیزیک، برق و مهندسی مواد تعریف کرد. در نرم افزارهای محاسباتی ای مانند Quantum ESPRESSO امکان محاسبه ی دقیق این پارامترها وجود داشته و نرم افزارهای جانبی دیگری نیز برای آنالیز های بیشتر و بدست آوردن نتایجی دقیق تر به منظور انتشار مقالات علمی در ژورنال های معتبر فراهم است.

نمونه مقالاتی که در این حوزه منتشر شده اند:

 

 

  • Dunlap-Shohl, Wiley A., Trey B. Daunis, Xiaoming Wang, Jian Wang, Boya Zhang, Diego Barrera, Yanfa Yan, Julia WP Hsu, and David B. Mitzi. "Room-temperature fabrication of a delafossite CuCrO 2 hole transport layer for perovskite solar cells." Journal of Materials Chemistry A 6, no. 2 (2018): 469-477.
  • Parras, J. P., A. R. Genreith-Schriever, H. Zhang, M. T. Elm, T. Norby, and R. A. De Souza. "Is ReO 3 a mixed ionic–electronic conductor? A DFT study of defect formation and migration in a B VI O 3 perovskite-type oxide." Physical Chemistry Chemical Physics 20, no. 12 (2018): 8008-8015.
  • Liu, Xixia, Nengduo Zhang, Baoshan Tang, Mengsha Li, Yong-Wei Zhang, Zhi Gen Yu, and Hao Gong. "Highly stable new organic–inorganic hybrid 3D perovskite CH3NH3PdI3 and 2D perovskite (CH3NH3) 3Pd2I7: DFT analysis, synthesis, structure, transition behavior, and physical properties." The journal of physical chemistry letters 9, no. 19 (2018): 5862-5872.

 

 

 

 

Published in مقاله
Tuesday, 08 January 2019 10:35

نسل جدید سلول خورشیدی

 

نسل جدید سلول های خورشیدی، پروسکایت ها

 

توان تبدیل انرژی خورشیدی (PCE) نقش زیادی در تولید الکتریسیته در آینده  دارد. سلول‌های خورشیدی پروسکایتی یکی از مهم‌ترین انواع سلول‌های خورشیدی هستند که توسط آن ها می‌توان انرژی خورشیدی ارزان تری را  تولید کرد، پس باید به دنبال افزایش بازده در تبدیل انرژی این سلول های خورشیدی باشیم.

 

بازده بالا در تبدیل انرژی سلول های خورشیدی پروسکایتی، به علت جذب قوی نور و برانگیختگی های مرزی ضعیف آن ها می باشد. با افزایش اندازه ی بلور و بهبود کیفیت بلوری هسته ها و لایه ی سطحی ارتقا داده شده، به بازده بالای 18% در توان تبدیل انرژی خورشیدی در این نوع سلول های خورشیدی رسیده اند.

با روش Hot-Casting که بر محلول انجام می شود و با افزایش دمای زیرلایه تا c◦ 190 و به هنگام استفاده از محلول هایی با نقطه ی جوش بالا مانند N-دی متیل فرمالید (DMF) و N-متیل-2-پیرولیدون (NMP)، اندازه‌ی هسته به طرز قابل توجهی افزایش می یابد (1 تا 2 میلیمتر).

رشد بلور با افزایش اندازه‌ی هسته دو مزیت اساسی دارد:

1) کاهش فاصله‌ی بین نواحی به علت هسته‌های بزرگ بر اختلال‌های باری چیره شده و پسماندی وجود نخواهد داشت.

2) هسته های بزرگتر در حالت بالک نقصان کمتر و تحرک بالاتری دارند که به حامل های تولید نور اجازه‌ی انتشار در طول مجموعه بدون برخوردهای مکرر به ناخالصی ها را می‌دهد (1).

 

عملکرد قابل توجه فوتوولتائیکی پروسکایت های هیبریدی به طول عمر بلند حامل‌های آن ها و تاثیر بالای فوتولومینانس نسبت داده شده است. شرایط رشد پروسکایت و عملیات لایه نشانی تا حد زیادی مورفولوژی لایه، طول عمر حامل ها  و عملکرد دستگاه را تغییر می دهد (2).

 

همچنین برای جذب بهتر نور در پروسکایت‌ها، از نانوبلورها استفاده می‌شود. نانوبلورهای پروسکایت متیل آمونیوم یدید سرب CH3NH3)PbI3) به کار رفته در سلول‌های خورشیدی مزوسکوپیک،  به عنوان جاذب های نوری تعریف می شوند. لایه نشانی این ذرات بر روی لایه‌های نازک و متخلخل TiO2، تمام رنگهای نور مرئی را جذب کرده و منجر به افزایش چگالی نور در لایه‌های نازک با ضخامت زیرمیکرون می‌شود و PCE تا 9/7% افزایش می‌یابد (3).


علاوه بر آن، لایه نشانی نانو ذرات Al2O3 چارچوبی با ساختار سوپرمزو (MSSC) تشکیل می‌دهند. با نازک‌تر شدن این لایه‌ی متخلخل، یک لایه‌ی نازک جامد و جاذب تشکیل می شود. این پروسکایت جاذب در دمای پایین (کمتر از c◦ 150) علاوه بر افزایش بهره‌ی PCE تا 9/1%، از پراکندگی بار و انتقال هر دو نوع حامل (الکترون‌ها و حفره‌ها) با بهره‌ی نزدیک به 100% حمایت می‌کند.

در نهایت با بهینه‌سازی ضخامت لایه‌ی Al2O3 در دمای پایین در سلول های خورشیدی پروسکایتی با ساختار سوپرمزو، بازده بالای 12/3%  حاصل می‌شود (4).

همچنین می‌توان لایه‌ی پروسکایت CH3NH3)PbI3) را با درجه‌ی خلوص بالا، بین دو لایه‌ی خیلی نازک که از مولکول‌های آلی تشکیل شده قرار داد. این مواد آلی با فرایندهای مبتنی بر محلول لایه نشانی می شوند. این مجموعه‌ی ساده، عاری از اکسید فلز و فراوری شده در دمای اتاق، بازده بالای 12% را در mwcm-2 100 می‌دهد (5).

 

 

[1] Nie, Wanyi, et al. “High-efficiency solution-processed perovskite solar cells with millimeter-scale grains.” Science 347.6221 (2015): 522-525.
[2] Vorpahl, Sarah M., et al. “Impact of microstructure on local carrier lifetime in perovskite solar cells.” Science 348.6235 (2015): 683-686.
[3] Kim, Hui-Seon, et al. “Lead iodide perovskite sensitized all-solid-state submicron thin film mesoscopic solar cell with efficiency exceeding 9%.” Scientific reports 2 (2012).
[4] Ball, James M., et al. “Low-temperature processed meso-superstructured to thin-film perovskite solar cells.” Energy & Environmental Science 6.6 (2013): 1739-1743.
[5] Malinkiewicz, Olga, et al. “Perovskite solar cells employing organic charge-transport layers.” Nature Photonics 8.2 (2014): 128-132.

 

 

 

 

Published in اخبار علمی

We answer every moment

social 16social 13social 09 social 05