鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)因其優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)換效率和低成本制備,在過去十年間引發(fā)了廣泛的研究熱潮,并被認為是最有潛力替代傳統(tǒng)硅太陽能電池的下一代光伏技術(shù)之一。近年來,PSCs 的效率不斷提升,并不斷刷新著世界紀錄。
陜西師范大學劉生忠教授團隊近期取得重大突破,他們通過一種新穎的異質(zhì)種子輔助策略,成功地控制了 FAPbI3 的結(jié)晶過程,并制備出高質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜,最終實現(xiàn)了 25.29% 的能量轉(zhuǎn)換效率 (PCE),為該領(lǐng)域的發(fā)展注入了新的活力。該研究成果發(fā)表在國際期刊《Energy & Environmental Science》上。
異質(zhì)種子輔助策略:控制結(jié)晶的關(guān)鍵
鈣鈦礦材料的結(jié)晶過程對器件的性能至關(guān)重要。傳統(tǒng)的鈣鈦礦薄膜制備方法,通常采用溶液法,但這種方法容易導致薄膜質(zhì)量不均勻,存在大量缺陷,影響器件的效率和穩(wěn)定性。
劉生忠教授團隊創(chuàng)新性地提出了異質(zhì)種子輔助策略,利用 2,4-二氨基嘧啶 (DAP) 與鈣鈦礦前驅(qū)體之間的強相互作用,抑制溶劑主導的中間相形成,并促進 DAP-FA+[PbI3]- (δ) 異質(zhì)種子的生成。這些異質(zhì)種子在薄膜的初始形成階段快速轉(zhuǎn)變?yōu)樗璧?/span> α 相,引導后續(xù)的結(jié)晶過程,最終獲得高結(jié)晶性的 α-FAPbI3 薄膜。
該團隊首先使用化學氣相沉積 (CVD) 方法在銅箔上生長出單層石墨烯 (SLG),并將其轉(zhuǎn)移到光纖上,然后將光纖繞轉(zhuǎn)石墨烯層,形成導電的光纖。再通過原子層沉積 (ALD) 技術(shù)沉積一層 Al2O3 薄膜作為介電層,并通過相同方法將另一層石墨烯卷繞在上面,形成器件的通道。最后,在通道層上沉積一層鈣鈦礦,作為器件的光敏元件。
異質(zhì)種子輔助策略優(yōu)勢
l 控制結(jié)晶過程: 異質(zhì)種子輔助策略可以有效控制鈣鈦礦的結(jié)晶過程,抑制不必要的中間相的形成,從而提高鈣鈦礦薄膜的質(zhì)量。
l 促進 α 相形成: 異質(zhì)種子可以引導鈣鈦礦薄膜向所需的 α 相轉(zhuǎn)變,減少其他相的出現(xiàn),從而提高器件的穩(wěn)定性。
l 降低陷阱密度: 高結(jié)晶性的 α-FAPbI3 薄膜具有更低的陷阱密度,有利于電荷傳輸,減少電荷重組,提高器件的效率。
l 提高載流子壽命: 高結(jié)晶性的 α-FAPbI3 薄膜具有更長的載流子壽命,進一步提高了器件的效率和穩(wěn)定性。
FAPbI3甲脒碘化鉛有機無機混合鈣鈦礦材料
特性
1. 高光吸收係數(shù)光電特性,直接能隙約為1.48電子伏特(eV),在可見光范圍內(nèi)有良好的吸收性能,適合用于光伏應(yīng)用。
2. 具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)結(jié)晶特性,高品質(zhì)的FAPbI3薄膜可以提供平滑的表面和較少的缺陷,于提高光電轉(zhuǎn)換效率非常重要。
3. 環(huán)境穩(wěn)定性上,對濕度和溫度較為敏感,高濕度環(huán)境下易分解。通常需要添加穩(wěn)定劑或者進行封裝來保護材料。
4. 製備方法上可以通過溶液製程(如旋轉(zhuǎn)涂佈法)來製備,簡便且成本低,有利于大規(guī)模生產(chǎn)。過程中通常需要進行退火處理,以促進晶體生長并提高薄膜的結(jié)晶品質(zhì)。
5. 光伏應(yīng)用前景,其優(yōu)異的光電特性和潛在的高效率,被認為是下一代高效太陽能電池的潛力材料。還具有應(yīng)用于LED和光檢測器等光電子器件的潛力。
突破性的成果
使用異質(zhì)種子輔助策略制備的倒置鈣鈦礦太陽能電池,能量轉(zhuǎn)換效率 (PCE) 達到 25.29%。
器件表現(xiàn)出非凡的長期穩(wěn)定性,表明該策略可以有效提高器件的穩(wěn)定性,為鈣鈦礦太陽能電池的實際應(yīng)用提供了新的可能性。
未來展望
劉生忠教授團隊的突破性研究成果,為鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展提供了新的思路。未來,研究人員將繼續(xù)探索更有效的結(jié)晶控制方法,并結(jié)合先進的表征手段和模擬計算,進一步提高鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩(wěn)定性,推動該技術(shù)走向商業(yè)化應(yīng)用。
原文出處: Energy & Environmental Science
推薦設(shè)備_
1. QE-R_流行和值得信賴的 QE / IPCE 系統(tǒng)
具有以下特色優(yōu)勢:
l 高精度: QE-R 系統(tǒng)采用高精度光譜儀和校準光源,確保 EQE 測量的準確性和可靠性。
l 寬光譜范圍: QE-R 系統(tǒng)的光譜范圍覆蓋紫外到近紅外區(qū)域,適用于各種光伏材料和器件的 EQE 測量。
l 快速測量: QE-R 系統(tǒng)具有快速掃描和數(shù)據(jù)采集功能,能夠高效地進行 EQE 光譜測量。
l 易于操作: QE-R 系統(tǒng)軟件界面友好,操作簡單方便,即使是初學者也能輕松上手。
l 多功能: QE-R 系統(tǒng)不僅可以進行 EQE 測量,還可以進行反射率、透射率等光學特性的測量,具有多功能性。
2. LQ-100X-PL 光致發(fā)光與發(fā)光量子產(chǎn)率測試系統(tǒng)
具有以下特色優(yōu)勢:
l 以緊湊的設(shè)計,尺寸大小 502.4mm(L) x 322.5mm(W) x 352mm(H),搭配 4 吋外徑 PTFE 材質(zhì)的積分球,并且整合 NIST 追溯的校準,讓手套箱整合 PL 與 PLQY 成為可能。
l 利用先進的儀表控制程序,可以進行原位時間 PL 光譜解析,并且可產(chǎn)生 2D 與 3D 圖表,說明用戶可以更快地表征材料在原位時間的變化。
l 系統(tǒng)光學設(shè)計可容易的做紅外擴展,波長由1000 nm 至 1700 nm。粉末、溶液、薄膜樣品都可兼容測試。