混合鹵化物鈣鈦礦太陽能電池,尤其是鈣鈦礦/晶硅疊層太陽能電池 (PSTs),展現(xiàn)出巨大的潛力,但其長期穩(wěn)定性,尤其是寬帶隙 (WBG) 鈣鈦礦吸收體的穩(wěn)定性,仍然是一個挑戰(zhàn)。WBG 吸收體薄膜的晶體質(zhì)量差和多晶取向?qū)е码x子遷移和相分離,從而降低器件壽命。
來自北京理工大學的陳棋團隊于Science 2024年8月1日第6708期中發(fā)表研究中,著重于成核工程,通過促進 3C 相成核并控制前體組成,以獲得具有優(yōu)異晶體質(zhì)量和紋理的 WBG 吸收體。這種方法有效減少了非輻射復合,增強了對熱降解、離子遷移和相分離的穩(wěn)定性?;诖耍瑘F隊實現(xiàn)了在 1 cm2 和 25 cm2 活性區(qū)域中分別為 32.5% 和 29.4% 的高效率 鈣鈦礦/晶硅疊層電池,并在長期穩(wěn)定性方面取得了顯著突破。
導讀目錄
1. 晶體成核工程技術(shù)改善了各種老化應(yīng)力的影響力
2. 研究結(jié)果表征
3. 成果:結(jié)晶核工程有效提升高效疊層太陽能電池效率與長期穩(wěn)定性
晶體成核工程技術(shù)改善了各種老化應(yīng)力的影響力
陳棋研究團隊主要針對寬帶隙WBG的特性進行優(yōu)化的程序,通過在任何溴化物富集聚集和2H相形成之前,優(yōu)先核化3C相,實現(xiàn)了寬帶隙(WBG)吸收層的改善結(jié)晶性和強紋理,從而抑制了非輻射復合,增強了對各種老化應(yīng)力的抵抗力。
1. 結(jié)晶質(zhì)量和紋理特性:
改善寬帶隙(WBG)吸收體的結(jié)晶性和紋理,解決因結(jié)晶質(zhì)量差導致的問題,如多晶粒取向和晶面暴露。
2. 非輻射復合和能量損失:
減少非輻射復合,提高能量轉(zhuǎn)換效率,通過準費米能級分裂(QFLS)和時間分辨光致發(fā)射(TRPL)來評估和改善載流子行為。
3. 溴化物分布和相分離:
解決因溴化物不均勻分布和相分離導致的問題,通過核工程促進3C相的成核,避免溴化物的遷移和相轉(zhuǎn)變。
4. 晶體生長過程控制:
通過核工程和薄膜沉積技術(shù),控制晶體生長過程,從而實現(xiàn)高度定向的晶體生長和改善的結(jié)晶質(zhì)量。
實驗步驟
1. 前驅(qū)體制備:
使用特定的化學試劑和溶劑制備鈣鈦礦前驅(qū)體,包括PbI2、PbBr2、CsI、MAI、FAI等。
將這些化學物質(zhì)溶解在混合溶劑中,如DMF和DMSO的混合物,并在50°C下攪拌3小時直至溶解,然后過濾。
2. 添加成核劑:
在前驅(qū)體中添加不同濃度的長鏈烷基胺鹽,如OAmI(烯丙基銨碘),以控制成核過程。
3. 旋轉(zhuǎn)涂布:
將過濾后的前驅(qū)體溶液旋轉(zhuǎn)涂布在合適的基板上,如石英、ITO或硅太陽能電池。采用特定的旋轉(zhuǎn)涂布參數(shù),如旋轉(zhuǎn)速度和時間,以控制薄膜的厚度和均勻性。
4. 抗溶劑處理:
在旋轉(zhuǎn)涂布過程中,使用抗溶劑(如氯苯)來促進薄膜的結(jié)晶和均勻性。
5. 真空淬火:
將涂布好的薄膜立即轉(zhuǎn)移到自制的真空閃爐中,進行真空淬火處理,以進一步改進晶體的質(zhì)量和均勻性。
6. 氣體淬火:
在旋轉(zhuǎn)涂布過程中,使用氮氣流來淬火,促進薄膜的結(jié)晶。
7. Slot-die涂布和真空淬火:
8. 使用Slot-die涂布技術(shù),結(jié)合真空淬火,來沉積大面積的鈣鈦礦薄膜。
研究結(jié)果表征
研究團隊采用綜合性量測手法的應(yīng)用一一進行驗證,不僅幫助研究團隊深入理解和改進WBG吸收體的結(jié)晶質(zhì)量、穩(wěn)定性和太陽能電池的整體性能,透過補充數(shù)據(jù)的記載中,了解到研究團隊采用XRD和GIWAX用于評估多晶吸收體的結(jié)晶質(zhì)量和紋理特性,從而理解晶體的生長和相轉(zhuǎn)變過程;能量損失和載流子行為采用PL和QFL,量化能量損失,從而了解非輻射復合中心的數(shù)量; TRPL的量測用于研究WBG吸收體的載流子壽命,進一步評估非輻射復合中心的數(shù)量和影響。原位和離體PL測量,研究溴化物在退火過程中的分布和光穩(wěn)定性,從而解決因溴化物遷移和相分離導致的問題; 原位GIWAXS測量,在程序化的退火過程中追蹤晶體生長的實時變化,從而理解核工程對晶體生長的影響。
X射線衍射(XRD):
二維同步輻射掠入射寬角X射線散射(GIWAXS):
掃描電子顯微鏡(SEM):
紫外-可見-近紅外(UV-VIS-NIR)分光亮度計:
光致發(fā)光(PL)光譜:
使用PL光譜儀來測量鈣鈦礦薄膜的光致發(fā)光特性。PL光譜可以提供關(guān)于薄膜的能帶結(jié)構(gòu)、激子復合和缺陷的信息。
準費米能級分裂(QFLS)計算:
通過PL強度的對比,計算準費米能級分裂的增強,從而評估電子-空穴復合情況和薄膜的電學性能。
太陽能電池性能測試:
研究團隊采用了光焱科技QE-R 量子效率量測設(shè)備進行測量單結(jié)和串聯(lián)太陽能電池的電流-電壓(J-V)特性,以及外量子效率(EQE)譜。這些數(shù)據(jù)可以用來評估太陽能電池的性能,如開路電壓(Voc)、短路電流(Jsc)、填充因子(FF)和轉(zhuǎn)換效率(PCE)。
快速取得疊層太陽能電池量測步驟示意圖
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圖 S25. 單結(jié) WBG 太陽能電池的光伏參數(shù),包括 (A) 開路電壓 (VOC)、(B) 短路電流密度 (JSC)、(C) 填充因子 (FF) 和 (D) 光電轉(zhuǎn)換效率 (PCE)。這些電池的吸收層由不同濃度辛胺碘化物 (OAmI) 和真空淬火制備的前驅(qū)體制成。器件結(jié)構(gòu)為 ITO/polyTPD/PFNBr/WBG 吸收層/C60/BCP/Cu。當 OAmI 濃度超過 1 mg/mL 時,很可能在晶界處存在一些非晶絕緣層,這會影響載流子提取,從而降低最終器件的填充因子。
圖 S26. 疊層器件在 1.69 V 電壓下的穩(wěn)定功率輸出 (SPO)
穩(wěn)定性測試:
對鈣鈦礦吸收層和太陽能電池進行熱穩(wěn)定性、光穩(wěn)定性和長期穩(wěn)定性測試。通過長時間的老化測試,評估材料和器件的穩(wěn)定性。
o 針對本研究發(fā)表中另一項關(guān)注的核心” 穩(wěn)定性和耐久性”,團隊使用了光焱科技的SS-X系列太陽光模擬器進行環(huán)境壓力與溫度測試,在仿真環(huán)境中,通過全譜照明、操作溫度等來評估設(shè)備的性能穩(wěn)定性。另外,也進行了長時間操作穩(wěn)定性測試:通過在最大功率點(MPP)條件下進行連續(xù)1-sun照明,來評估封裝設(shè)備的長期穩(wěn)定性,解決因熱、光或電壓引起的降解問題。
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快速取得疊層太陽能電池量測步驟示意圖
成果:結(jié)晶核工程有效提升高效疊層太陽能電池效率與長期穩(wěn)定性
研究團隊透過各項痛點的突破及表征技術(shù)的應(yīng)用驗證上,成功地達成幾項驚人的成果并獲得Science的認證。
1. 核工程策略:通過在鈣鈦礦前驅(qū)體中添加長鏈烷基胺配體,促進了3C相的成核,避免了溴化物的不均勻分布和隨后的相轉(zhuǎn)變。
2. 結(jié)晶質(zhì)量和紋理改善:實現(xiàn)了WBG吸收體的改善結(jié)晶質(zhì)量和強紋理,從而減少非輻射復合,提高了能量轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。
3. 高效率太陽能電池:
在1cm2和25cm2活性區(qū)域下分別實現(xiàn)了32.5%和29.4%的高PCE。
優(yōu)化的封裝PST在25°C和50°C下分別保持了98.3%和90%的初始PCE,顯示出良好的長期運行穩(wěn)定性。
4. 長期運行穩(wěn)定性:
o 通過核工程和薄膜沉積技術(shù),提高了太陽能電池在長期運行中的穩(wěn)定性,特別是在不同溫度條件下。
o 長時間操作穩(wěn)定性測試顯示,封裝設(shè)備在1301和800小時后分別保持了初始PCE的98.3%和90%。
5. 大面積制造均勻性:
o 解決了大面積制造中的均勻性問題,實現(xiàn)了大面積WBG吸收體的均勻結(jié)晶質(zhì)量和紋理,從而實現(xiàn)高效的大面積太陽能電池。
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文獻參考自Science 1st Aug.2024_ DOI: 10.1126/science.ado9104
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