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Publicação
Light Management in Perovskite Solar Cells with Photonic Structures and Luminescent Down-Shifting Layers
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Resumo(s)
The path to achieve highly efficient, ultra-thin perovskite solar cells (PSCs) demands the use of advanced optical management techniques that can significantly boost cell absorption, thus offsetting the common losses expected from thinner absorber layers. In our research, we demonstrated unprecedented optical and electrical enhancements in ultrathin PSCs, by ex-ploring and optimizing wave-optical nano/micro structures as well as by cleverly rearranging simple diffractive elements in a quasi-random fashion. Furthermore, the photonic-enhanced thin solar cells designed and studied ultimately support the reduction of material usage in PSC technology, which is especially beneficial to mitigate lead usage, without impacting the device's performance.
We developed and studied two novel photonic concepts, acting in the wave-optics re-gime, and applied them to PSCs with distinct thicknesses of the perovskite absorber (250-500 nm). Firstly, front-located photonic-structured electron transport layers (ETLs) were studied, demonstrating the best photocurrent improvement relative to unpatterned cells (up to 27% - value close to the fundamental Lambertian limit). Interestingly, these cells also showed a pro-clivity to protect (by absorbing the UV radiation) the absorber layer, that could play a pivotal role in maintaining PSCs stability. Furthermore, the otherwise lost UV radiation can still be exploited by adding one or more luminescent down-shifting (LDS) layers, that can convert the radiation of lower wavelengths into higher wavelengths (high energy photons are converted to lower energy photons) which can be effectively “trapped” in the cell without degrading the cells’ stability. Secondly, PSCs conformally deposited on rather industrially-favorable pho-tonic-structured substrates show also a comparable photocurrent enhancement to the previ-ous structure (up to 25%) including a significant omni-directional optical response for angles up to 70 degrees. By studying the transport properties of these photonic-structured PSCs, it was shown that surface and charge carrier recombination can be offset by the increased optical gains resulting from the light trapping (LT), pointing at power conversion efficiencies (PCE) as high as 30%. In addition to nano/micro structures, the smart arrangement of 1D grating lines can also show outstanding diffractive properties. We found that, using simple grating structures com-posed of checkerboard (CB) arrangements, the photocurrent of thin-film silicon cells can be realistically doubled (bulk current enhancement by 125%), thus revealing performance im-provements at the level of the most sophisticated LT structures. Via careful optimization, it was shown that these structures can improve photocurrent and PCE by 24.9% and 28.2%, re-spectively, for ultra-thin PSCs. Furthermore, the CB pattern was shown to provide a crucial encapsulation effect — increasing photostability — by protecting the perovskite layer from harmful UV radiation. Subsequently, absorption and emission profiles of t-U (5000)/Eu3+ were used to predict how LDS can be employed to reuse these, otherwise lost, photons. Here, it was shown that 95% of the UV radiation can be effectively blocked and converted to non-harmful energies, thus providing extra stability without significantly compromising performance.
A estratégia para alcançar células solares de perovskite (PSCs) ultrafinas e ultra eficientes exige o uso de técnicas avançadas de fotónica que permitam aumentar significativamente a absorção das células, compensando assim as perdas que as camadas absorventes mais finas estão sujeitas. Aqui são demonstradas pela primeira vez melhorias óticas e elétricas para PSCs ultrafinas que tiram partido de nano/micro-estruturas óticas e da organização de simples elementos difrativos semi-aleatórios. Além disso, as células solares finas projetadas com as estruturas fotónicas permitem uma menor quantidade de materiais na tecnologia PSC, o que é especialmente benéfico para mitigar o uso de compostos tóxicos (chumbo), sem afetar o desempenho dos dispositivos. Foram desenvolvidos e estudados dois novos conceitos fotónicos que atuam no regime de ótica ondulatória, e posteriormente aplicados a PSCs com espessuras distintas para a camada de perovskite ativa (250-500 nm). Inicialmente, foram estudadas camadas frontais de transporte de eletrões estruturadas fotonicamente, que possibilitam um ganho expressivo da foto-corrente em relação às células não padronizadas (até 27% - valor próximo do limite Lambertiano fundamental). É interessante verificar que estas células também demostram uma propensão para proteger a camada de perovskite ao absorver parte da radiação UV que incide na célula e que tem um efeito nocivo na manutenção da estabilidade das PSCs. Além disso, esta mesma radiação UV, que é absorvida e maioritariamente perdida como calor, pode ainda ser aproveitada ao adicionar-se uma ou mais camadas luminescentes (LDS), que convertem a radiação UV em comprimentos de onda mais altos (fotões de alta energia são convertidos em fotões de energia mais baixa) que podem ser absorvidos pela célula sem causar foto-degradação. Em segundo lugar, as PSCs conformais com substratos estruturados fotónicos também apresentam um ganho na foto-corrente comparável à arquitetura anterior (até 25%), além de uma resposta ótica omnidirecional significativa para ângulos de incidência até 70 graus. Ao estudar as propriedades de transporte destas PSCs estruturadas fotonicamente, verificou-se que os efeitos adicionais de recombinação à superfície dos portadores de carga podem ser compensados pelo aumento nos ganhos óticos resultantes do aprisionamento de luz (LT), o que permite apontar para eficiências de conversão de energia (PCE) até 30%. Além das nano/micro-estruturas desenvolvidas, o arranjo em grelha 1D também apresenta excelentes propriedades difrativas. Descobriu-se que, usando uma grelha simples composta por arranjos axadrezados (CB), a corrente gerada na camada absorsora de células de silício de filme fino pode realisticamente aumentar em 125%. Trata-se de um desempenho equiparável às estruturas de LT mais sofisticadas. Após uma otimização cuidada, foi demonstrado que esse mesmo arranjo CB também permite melhorar a fotocorrente e a PCE em 24.9% e 28.2%, respectivamente, de PSCs ultrafinas. Além disso, o padrão CB pode também desempenhar um papel crucial no encapsulamento, protegendo a camada de perovskite da radiação UV prejudicial e consequentemente aumentando a sua fotoestabilidade. Por fim, os perfis de absorção e emissão de t-U (5000)/Eu3+ foram usados para prever como uma camada de LDS pode ser usada para aproveitar a radiação UV para a conversão em eletricidade. Aqui, foi demonstrado que 95% da radiação UV pode ser efetivamente bloqueada e convertida em energias não prejudiciais, proporcionando estabilidade extra sem comprometer o desempenho das células solares.
A estratégia para alcançar células solares de perovskite (PSCs) ultrafinas e ultra eficientes exige o uso de técnicas avançadas de fotónica que permitam aumentar significativamente a absorção das células, compensando assim as perdas que as camadas absorventes mais finas estão sujeitas. Aqui são demonstradas pela primeira vez melhorias óticas e elétricas para PSCs ultrafinas que tiram partido de nano/micro-estruturas óticas e da organização de simples elementos difrativos semi-aleatórios. Além disso, as células solares finas projetadas com as estruturas fotónicas permitem uma menor quantidade de materiais na tecnologia PSC, o que é especialmente benéfico para mitigar o uso de compostos tóxicos (chumbo), sem afetar o desempenho dos dispositivos. Foram desenvolvidos e estudados dois novos conceitos fotónicos que atuam no regime de ótica ondulatória, e posteriormente aplicados a PSCs com espessuras distintas para a camada de perovskite ativa (250-500 nm). Inicialmente, foram estudadas camadas frontais de transporte de eletrões estruturadas fotonicamente, que possibilitam um ganho expressivo da foto-corrente em relação às células não padronizadas (até 27% - valor próximo do limite Lambertiano fundamental). É interessante verificar que estas células também demostram uma propensão para proteger a camada de perovskite ao absorver parte da radiação UV que incide na célula e que tem um efeito nocivo na manutenção da estabilidade das PSCs. Além disso, esta mesma radiação UV, que é absorvida e maioritariamente perdida como calor, pode ainda ser aproveitada ao adicionar-se uma ou mais camadas luminescentes (LDS), que convertem a radiação UV em comprimentos de onda mais altos (fotões de alta energia são convertidos em fotões de energia mais baixa) que podem ser absorvidos pela célula sem causar foto-degradação. Em segundo lugar, as PSCs conformais com substratos estruturados fotónicos também apresentam um ganho na foto-corrente comparável à arquitetura anterior (até 25%), além de uma resposta ótica omnidirecional significativa para ângulos de incidência até 70 graus. Ao estudar as propriedades de transporte destas PSCs estruturadas fotonicamente, verificou-se que os efeitos adicionais de recombinação à superfície dos portadores de carga podem ser compensados pelo aumento nos ganhos óticos resultantes do aprisionamento de luz (LT), o que permite apontar para eficiências de conversão de energia (PCE) até 30%. Além das nano/micro-estruturas desenvolvidas, o arranjo em grelha 1D também apresenta excelentes propriedades difrativas. Descobriu-se que, usando uma grelha simples composta por arranjos axadrezados (CB), a corrente gerada na camada absorsora de células de silício de filme fino pode realisticamente aumentar em 125%. Trata-se de um desempenho equiparável às estruturas de LT mais sofisticadas. Após uma otimização cuidada, foi demonstrado que esse mesmo arranjo CB também permite melhorar a fotocorrente e a PCE em 24.9% e 28.2%, respectivamente, de PSCs ultrafinas. Além disso, o padrão CB pode também desempenhar um papel crucial no encapsulamento, protegendo a camada de perovskite da radiação UV prejudicial e consequentemente aumentando a sua fotoestabilidade. Por fim, os perfis de absorção e emissão de t-U (5000)/Eu3+ foram usados para prever como uma camada de LDS pode ser usada para aproveitar a radiação UV para a conversão em eletricidade. Aqui, foi demonstrado que 95% da radiação UV pode ser efetivamente bloqueada e convertida em energias não prejudiciais, proporcionando estabilidade extra sem comprometer o desempenho das células solares.
Descrição
Palavras-chave
Photovoltaics Photonics Luminescent Down-Shifting Perovskite Solar Cells Coupled Optical and Electrical Modelling