Perovskit Güneş Hücrelerine Giriş
Perovskit güneş hücrelerinin yapısı aşağıdaki şekilde gösterilmiştir. Çekirdeği, perovskit kristal yapıya (ABX₃) sahip organometal halojenürlerden oluşan ışığı emen bir malzemedir (birim hücre yapısı ekli şekilde gösterilmiştir). Bu perovskit ABX₃ yapısında,Ametilamonyum grubudur (CH₃NH₃⁺),Bbir metal kurşun atomudur veXKlor, brom veya iyot gibi bir halojen atomudur. Günümüzde, yüksek verimli perovskit güneş hücrelerinde en yaygın kullanılan perovskit malzemesimetilamonyum kurşun iyodür (CH₃NH₃PbI₃)Yaklaşık olarak bir bant aralığına sahiptir1,5 eVve yüksek sönüm katsayısı; sadece birkaç yüz nanometre kalınlığındaki bir film, 800 nm'ye kadar güneş ışığını yeterince emebilir. Dahası, bu malzemenin hazırlanması kolaydır; oda sıcaklığında PbI₂ ve CH₃NH₃I içeren bir çözeltinin spin-kaplanmasıyla homojen bir film elde edilebilir. Bu özellikler, perovskit tipi yapı CH₃NH₃PbI₃'nin yalnızca görünür ışığı ve yakın kızılötesi spektrumun bir kısmını emmesini değil, aynı zamanda minimum enerji kaybıyla rekombinasyona daha az eğilimli fotojenlenmiş taşıyıcılar üretmesini de sağlar. Perovskit güneş hücrelerinin yüksek verimliliğe ulaşabilmesinin temel nedeni budur.
Şekil: Perovskit malzemenin kristal yapısı (örnek olarak CH₃NH₃PbI₃ kullanılarak) ve bir perovskit güneş hücresi yapısının şematik diyagramı.
A, B ve X bölgelerindeki atomların (veya grupların) yarıçapları konusunda katı gereklilikler getiren nispeten karmaşık kristal yapısı nedeniyle, perovskit ışık emici malzemelerin bileşimi nispeten sabittir. Son zamanlarda, bazı araştırma grupları A bölgesindeki metilamonyum grubunu aşağıdakilerle değiştirmiştir:formamidinyum (FA⁺), bant aralığını daraltarak1,48 eVve daha yüksek fotoakım elde etmek için.B sitesiKurşunun (Pb) kalay (Sn) ile değiştirilmesi henüz bildirilen herhangi bir fotoelektrik tepkiye yol açmadı.X sitesiKlor, brom veya iyot gibi atomlar kullanılabilir, ancak yalnızca iyot bazlı perovskitlerin yüksek dönüşüm verimliliği için uygun bir bant aralığı vardır. CH₃NH₃PbI₃'nin yanı sıra,CH₃NH₃PbI₃₋ₓClₓAyrıca yaygın olarak incelenmektedir. Temel enerji seviyesi yapısını korurken, az miktarda klor katkısı elektron hareketliliğini iyileştirerek üstün fotoelektrik performans sağlayabilir. Ancak, silikon bazlı malzemelerle karşılaştırıldığında, yaygın olarak kullanılan perovskit ışık emici malzemelerin aşağıdaki gibi dezavantajları vardır:yeterince geniş ışık tepkisi aralığı, suya ve bazı çözücülere karşı hassasiyet ve ağır metal kurşun içermesiBu nedenle, perovskit malzemeleri bulmakdaha dar bant aralıkları, daha iyi kimyasal kararlılık ve çevre dostuçok anlamlıdır.
Perovskit ince film güneş hücrelerinin geliştirilmesiboya duyarlı güneş hücreleri (DSSC'ler)Son yirmi yılda DSSC'lerde, organik güneş hücrelerinde ve diğerlerinde biriken teknolojilerden yararlanılarak, perovskit güneş hücreleri hızla geliştirilmiştir. Kullanılan en eski perovskit güneş hücreleriTiO₂ fotoanotlarını ve sıvı bir I₃⁻/I⁻ elektrolitini hassaslaştırmak için CH₃NH₃PbI₃, yalnızca bir verimlilik elde ederek%3,8(%6,5'e optimize edilmiştir). Ancak, sıvı I₃⁻/I⁻ elektrolitindeki CH₃NH₃PbI₃'nin kararsızlığı nedeniyle hücre kararlılığı zayıftı ve bu alandaki araştırmalar artık sınırlıdır. Sıvı I₃⁻/I⁻ elektrolitinin birkatı hal delik taşıma malzemesi (HTM)(örneğin, spiro-OMeTAD, P3HT) hücre verimliliğini büyük ölçüde iyileştirerek,%16Boya duyarlı güneş hücrelerinin en yüksek verimliliğini (%13) aşarak iyi bir kararlılık göstermiştir.
Bunun üzerine inşa ederek,H. Snaith ve ark.Gözenekli iskele katmanı n-tipi yarı iletken TiO₂'yi yalıtım malzemesi gibi bir malzemeyle değiştirdiAl₂O₃ veya ZrO₂ve delik taşıma malzemeleri kullanılarak birleştirilmiş ince film hücreleri, yüksek verimlilik elde ederek (bildirilen en yüksek verimlilik %15,9'du) başarılı oldu. Bu sonuç, perovskit malzemesi CH₃NH₃PbI₃'nin kendisinin iyi bir elektron iletim kapasitesine sahip olduğunu göstermektedir. Yalıtım malzemesi iskele katmanlarına dayanan perovskit güneş hücreleri, prensip olarak, geleneksel hassaslaştırma konseptinin ötesine geçerek,mezoskopik üstyapılı heterojonksiyonlu güneş hücresiAyrıca, yalıtım iskelesi tabakasını kaldırarak ve tek tip, yüksek kaliteli bir perovskit film kullanarak,düzlemsel heterojonksiyon hücresiAyrıca yüksek verimlilik elde edilebilir (bildirilen en yüksek verimlilik %15,7'dir). Öte yandan, delik taşıma malzemeleri kullanılmasa bile, perovskit ve gözenekli TiO₂ arasında oluşan bir heterojonksiyon hücresi %10,5'lik bir verimliliğe ulaşmıştır. Bu yapıda, kolloidal kuantum nokta güneş hücrelerine benzer şekilde, perovskit iki rol üstlenir: ışık emilimi ve delik iletimi. Ayrıca, bir ışık emici katman olarak perovskit malzemesinin kullanılmasıorganik güneş hücresi yapısı, elektron taşıma katmanı olarak fulleren türevi PCBM ve delik taşıma katmanı olarak PEDOT:PSS ile verimlilikler aşıyor%12Geleneksel organik/polimer güneş hücrelerinin en iyi sonuçlarını geride bırakarak elde edilmiştir. Organik güneş hücresi yapılarına dayalı perovskit güneş hücrelerinin de yapılabileceği unutulmamalıdır.büyük ölçekli üretim için esnek ve rulodan ruloya üretimGünümüzde bu tür esnek perovskit hücreleri yüksek bir verimlilik elde etmiştir.%9,2.
Şekil: Perovskit güneş hücresinin yapısı.
Perovskit malzemelerin, 1000'den fazla verimliliği aşabileceği gerçeği%10Bu çok farklı güneş hücresi yapıları, gelecekteki pratik uygulamalarda,birden fazla yapı bir arada var olabilir ve rekabet edebilirAynı zamanda, malzemelerin temel özellikleri ve hücrelerin çalışma prensipleri hakkında derinlemesine araştırma ve anlayış hayati önem taşımaktadır. Bu, yalnızca perovskit güneş hücrelerinin performansını daha da iyileştirmeye yardımcı olmakla kalmayacak, aynı zamanda daha basit veya daha verimli yeni yapılar geliştirmek için de fikirler sağlayacaktır.
