Tin perovskite solar cells have attracted a lot of attention due to their potential to address the toxicity of lead, which is the biggest barrier to commercialization of perovskite solar cells. Unlike other lead-free perovskite, tin perovskite have a direct bandgap, which is suitable for use as light harvesting, and relatively good stability, which has led to a lot of attention. Since the first tin perovskite solar cell was reported in 2014, it has achieved an impressive power conversion efficiency of 14.81%. However, this efficiency is still low compared to that of lead perovskite solar cells, and the stability of tin perovskite solar cells is also an issue that needs to be addressed. In this review, we will discuss the basic properties of the tin atom in comparison to the lead atom, and then discuss the crystal structure, phase transition, and basic properties of tin perovskite. We will then discuss the advantages, applications, challenges, and strategies of tin perovskite, In particular, we will focus on how to prevent the oxidation of tin, which is arguably the biggest challenge for using tin perovskite solar cells. At the end, we summarize the key factors that need to be addressed for higher efficiency and stability, emphasizing what is needed to commercialize tin perovskite solar cells.
The lead-based perovskite (CH3NH3PbI3) material has a high molar coefficient, high crystallinity at low temperature, and long range of balanced electron-hole transport length. In addition, PCE of perovskite solar cells (PSCs) has been dramatically improved by over 22% by amending the electronic quality of perovskite and by using state-of-the-art hole transporting materials (HTMs) such as tetrakis(N,N-di-p-methoxyphenylamine)-9,9'-spirobifluorene (spiro-OMeTAD) due to enhanced charge transport toward the electrode via properly aligned energy levels with respect to the perovskite. Replacing the spiro-OMeTAD with new HTMs with the desired properties of appropriate energy levels, high hole mobility in its pristine form, low cost, and easy processable materials is necessary for attaining highly efficient and stable PSCs, which are anticipated to be truly compatible for practical application. Furthermore, Recently Pb-free perovskite materials much attention as an alternative light-harvesting active layer material instead of lead based perovskite in photovoltaic cells. In this work, we demonstrate a Pb-free perovskite material for the light harvesting and emitter as optoelectronic devices.
Metal halide perovskite materials are considered as promising semiconducting materials for next-generation solar cells due to their unique electrical and optical properties. Intensive progress in perovskite solar cell yielded a certified power conversion efficiency over 24%. However, most of highly efficient perovskite solar cells required Pb-based perovskite materials, which is a critical obstacle for their commercialization, and development of Pb-free perovskite materials is one of recent urgent issues in this field. In this paper, we will introduce recent research progress on Pb-free perovskite solar cells.
Lead-free complex perovskite ceramics $NaMeO_3$ ($Me{\equiv}Nb$, Ta) were synthesized using conventional solid state reaction technique and characterized by structural, FTIR and electrical (dielectric and ac conductivity) studies. The crystal symmetry, space group and unit cell dimensions were determined from the experimental results using FullProf software. XRD analysis of the compound indicated the formation of single-phase orthorhombic structure with the space group Pmmm (47). Dielectric studies showed the diffuse phase transition at $394^{\circ}C$ for $NaNbO_3$ and $430^{\circ}C$ for $NaTaO_3$. Ac conductivity in both the compounds follows Jonscher's power law.
나노스케일 구조를 갖는 납 기반 할로겐화 페로브스카이트는 조절 가능한 방출 파장과 결함 내성(defect-tolerance)을 가지며, 높은 광 발광 양자 수율과 물질의 실온 합성 가능성으로 인해 최근 많은 관심을 받았다. 이러한 특성은 디스플레이에 적용되었을 때, 넒은 색 영역을 표현할 수 있다. 그러나 납의 독성이 페로브스카이트 디스플레이의 상용화를 방해한다. 따라서 최근에 비납계 할로겐화 페로브스카이트 나노결정에 대한 연구가 진행되었다. 본 글에서 우리는 비납계 페로브스카이트 나노결정의 설계 및 광 물리적 특성 및 발광 소자로의 응용에 대한 우리의 견해에 대하여 서술하며, 할로겐화 페로브스카이트 나노결정의 특징, 납을 대체할 수 있는 후보 원소에 대한 논의, 콜로이드성 비납계 페로브스카이트 나노결정을 합성하는 방법, 이들의 광학 특성을 제어하고 향상시키는 방법, 발광소자에서 비납계 페로브스카이트 나노결정을 사용한 최근의 연구 동향 및 이 분야에 대한 전망을 서술한다.
Journal of the Microelectronics and Packaging Society
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v.20
no.4
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pp.25-30
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2013
Pb-free ferroelectric $(Na_{0.5}Bi_{0.5})TiO_3$ (NBT) thin films were prepared by a modified sol-gel process. Their structural, dielectric and pyroelectric properties were investigated as a function of the excess Na/Bi ratio and the annealing temperature. In the case of thin films containing no excess Na and Bi, only partial amounts of the perovskite NBT were crystallized, where the films consisted mainly of the pyrochlore phase of $Bi_2Ti_2O_7$ for annealing conditions of $600{\sim}800^{\circ}C$. With increasing excess Na/Bi ratio, the proportion of the perovskite phase effectively increased due to the compensation of the volatile Na and Bi components. For a Na/Bi ratio of 2.0, the thin film with single NBT perovskite phase was obtained within XRD detection limit after annealing at $700^{\circ}C$ for 10 min and it showed the excellent dielectric properties, ${\varepsilon}r$ of ~550 and tan ${\delta}$ of 0.03. While these properties were degraded for Na/Bi ratio of 2.5 despite the existence of pure perovskite phase. The NBT thin film with Na/Bi ratio of 2.0 are also promising candidates for applications requiring pyroelectric devices because it was found to have pyroelectric coefficients of $1.3{\sim}7nC/cm^2K$ in the temperature range of $30{\sim}100^{\circ}C$.
Journal of Korean Society of Industrial and Systems Engineering
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v.46
no.3
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pp.15-22
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2023
BNKT Ceramics, one of the representative Pb free based piezoelectric ceramics, constitutes a perovskite(ABO3) structure. At this time, the perovskite structure (ABO3) is in the form where the corners of the octahedrons are connected, and in the unit cell, two ions, A and B, are cations, A ion is located at the body center, B ion is located at each corner, and an anion O is located at the center of each side. Since Bi, Na, and K sources constituting the A site are highly volatile at a sintering temperature of 1100℃ or higher, it is difficult to maintain uniformity of the composition. In order to solve this problem, there should be suppression of volatilization of the A site material or additional compensation of the volatilized. In this study, the basic composition of BNKT Ceramics was set to Bi0.5(Na0.78K0.22)0.5TiO3 (= BNKT), and volatile site (Bi, Na, and K sources) were coated in the form of a shell to compensate additionally for the A site ions. In addition, the physical and electrical properties of BNKT and its coated with shell additives(= @BNK) were compared and analyzed, respectively. As a result of analyzing the crystal structure through XRD, both BNKT(Core) and @BNK(Shell) had perovskite phases, and the crystallinity was almost similar. Although the Curie temperature of the two sintered bodies was almost the same (TC = 290 ~ 300 ℃), it was confirmed that the d33 (piezoelectric coefficient) and Pr (residual polarization) values were different. The experimental results indicated that the additional compensation for a shell additive causes the coarsening, resulting in a decrease in sintering density and Pr(remanent polarization). However, coating shell additives to compensate for A site ion is an effective way to suppress volatilization. Based on these experimental results, it would be the biggest advantage to develop an eco-friendly material (Lead-free) that replaced lead (Pb), which is harmful to the human body. This lead-free piezoelectric material can be applied to a biomedical device or products(ex. earphones (hearing aids), heart rate monitors, ultrasonic vibrators, etc.) and skin beauty improvement products (mask packs for whitening and wrinkle improvement).
Proceedings of the Materials Research Society of Korea Conference
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2011.05a
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pp.29.2-29.2
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2011
B-site substitution with isovalent and donor impurities was compared in terms of the piezoelectric properties of Bi-based ABO3 perovskite ceramics. X-ray diffraction study revealed that both impurities bring about degradation in their ferroelectric properties as well as piezoelectric characteristics. However, there existed a difference between the isovalent and heterovalent impurities that influence a phase transformation of ferroelectric anisotropic-to-electrostrictive pseudocubic symmetry. Based upon analyses including the crystal, microstructure, dielectric, ferroelectric properties, we believed that A-site vacancies in the ABO3 ceramic significantly contribute to a ferroelectric-nonpolar phase transition, which give rise to lead to a giant strains. The present paper will discuss the origin of giant strains in Bi-based perovskite ceramics.
Proceedings of the Materials Research Society of Korea Conference
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2009.05a
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pp.33.1-33.1
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2009
Lead-free (1-x)$(Na_{0.5}K_{0.5})NbO_3$-xBa($Ti_{0.9}Sn_{0.1})O_3$ [NKN-BTS-100x] ceramics doped with 1 mol% $MnO_2$ have been prepared by the conventional solid state method and their structural and piezoelectric properties were investigated. The NKN-BTS-100x ceramics exhibited a dense and homogeneous microstructure when they were sintered at $1030-1150^{\circ}C$. Grain growth was observed for the specimen sintered at relatively low temperature of $1050^{\circ}C$. A tetragonal/orthorhombic morphotropic phase boundary (MPB) in the perovskite structure was also appeared for the NKN-BTS-100x ceramics (0.04$1050^{\circ}C$. The enhanced piezoelectric properties in the NKN-BTS ceramics with a MPB composition were obtained. Especially, for the NKN-BTS-6 ceramics, a high dielectric constant (${\varepsilon}^T_3/\varepsilon_0=1,400$), piezoelectric constant ($d_{33}=237$) and electromechanical coupling factor ($k_p=0.42$) were obtained.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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