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光伏技術(shù)的新發(fā)表:無定形鈍化層提升鈣鈦礦電池性能
1. 研究方法與表征設(shè)備分析
2. 非晶態(tài)(lysine)2Pbl2層展現(xiàn)高光電轉(zhuǎn)換效率成果
光伏技術(shù)的新發(fā)表 :無定形鈍化層提升鈣鈦礦電池性能
近日,由中科院院士楊德仁團(tuán)隊(duì)、浙江大學(xué)王勇 及蘇州大學(xué)寧為華 共同發(fā)表于Nature Communications 2024年第15期一突破性研究為高效鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展開辟了新路徑。研究人員成功開發(fā)出一種新型無定形(賴氨酸)2PbI2鈍化層,通過固相反應(yīng)在鈣鈦礦薄膜表面和晶界處形成。這種無定形結(jié)構(gòu)具有更少的懸掛鍵,能有效中和表面/界面缺陷,顯著提高了電池效率。
與傳統(tǒng)的晶態(tài)鈍化材料相比,這種新型無定形層不僅降低了晶格應(yīng)力,還作為屏障阻止有機(jī)成分的分解,抑制了鈣鈦礦的結(jié)構(gòu)破壞,大幅提升了太陽能電池的穩(wěn)定性。研究團(tuán)隊(duì)報(bào)告稱,采用這種技術(shù)的鈣鈦礦太陽能電池效率高達(dá)26.27%(經(jīng)認(rèn)證為25.94%)。
圖 3 .光伏和器件特性
(a) PbI?-FACsMA和amo-FACsMA器件的J-V曲線,電池有效面積為0.09 cm2。
JscJsc:25.83(PbI?-FACsMA),25.84(amo-FACsMA)
VocVoc:1.104(PbI?-FACsMA),1.184(amo-FACsMA)
FF:0.831(PbI?-FACsMA),0.858(amo-FACsMA)
PCE:23.72%(PbI?-FACsMA),26.27%(amo-FACsMA)
FF:0.739(FACsMA),0.806(amo-FACsMA)
PCE:21.38%(FACsMA),24.93%(amo-FACsMA)
研究方法與表征設(shè)備分析
研究團(tuán)隊(duì)在研究過程中,透過階段式的研究手法逐一量測(cè)并驗(yàn)證該研究理論的可行性
1. 材料合成與制備:研究團(tuán)隊(duì)合成了含賴氨酸的鈣鈦礦薄膜,通過固態(tài)擴(kuò)散和反應(yīng)過程,制備了不同賴氨酸擴(kuò)散時(shí)間的薄膜樣品。
2. 薄膜沉積:使用旋涂或蒸鍍等方法將制備的鈣鈦礦材料沉積到基底上,形成薄膜。
3. 太陽能電池裝置制作:將制備的鈣鈦礦薄膜整合到太陽能電池裝置中,包括添加其他必要的層,如電極、傳輸層等。
4. 穩(wěn)定性測(cè)試:對(duì)制備的太陽能電池裝置進(jìn)行穩(wěn)定性測(cè)試,評(píng)估其在不同條件下的性能變化。
5. 效能測(cè)量:使用標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試條件(如AM1.5G光譜、25°C)來測(cè)量太陽能電池的效能參數(shù),如轉(zhuǎn)換效率、短路電流、開路電壓等。
6. 操作條件下的性能評(píng)估:可能進(jìn)行了最大功率點(diǎn)(MPP)追蹤測(cè)試,以評(píng)估太陽能電池在實(shí)際操作條件下的性能。
要得到器件的優(yōu)化進(jìn)程,各項(xiàng)的表征設(shè)備,使得量測(cè)過程中得到更穩(wěn)定的論證外,更幫助研究團(tuán)隊(duì)有效地了解器件提升的狀態(tài)及進(jìn)一步優(yōu)化的可能性。
常見的表征設(shè)備如: 紫外可見光譜儀(UV-vis):可用于分析材料的光吸收特性; X射線繞射儀(XRD)分析材料的晶體結(jié)構(gòu),并確定材料的晶相和晶格參數(shù); 掃描電子顯微鏡(SEM)可觀察材料的表面和截面形態(tài),提供微觀結(jié)構(gòu)的影像; X射線光電子能譜儀(XPS)可確定元素的化學(xué)結(jié)合環(huán)境。另外,傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)通過紅外吸收光譜來識(shí)別材料中的化學(xué)組分; X射線吸收光譜儀(XAS),包括X射線吸收近邊結(jié)構(gòu)(XANES)和擴(kuò)散X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)(EXAFS); 時(shí)間解析光致發(fā)光系統(tǒng)(TRPL):可測(cè)量材料的載流子壽命,研究激子動(dòng)態(tài)和材料的缺陷密度; 電容頻率分析儀則應(yīng)用于評(píng)估太陽能電池裝置中的陷阱狀態(tài)和載流子動(dòng)態(tài)。
其中,太陽光模擬器和電流-電壓(J-V)測(cè)量系統(tǒng)在太陽能電池的表征量測(cè)中極其重要原因如下:
1. 性能評(píng)估:J-V測(cè)量是評(píng)估太陽能電池性能最直接的方法。通過J-V曲線,可以獲得關(guān)鍵的電池參數(shù),如開路電壓(Voc)、短路電流(Isc)、填充因子(FF)和光電轉(zhuǎn)換效率(η),上述參數(shù)綜合反映了太陽能電池的整體性能。
2. 標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試:太陽能仿真器提供標(biāo)準(zhǔn)化的光照條件(如AM1.5G光譜、1000 W/m2的輻射強(qiáng)度),確保測(cè)量結(jié)果的可比性和重復(fù)性。這對(duì)于比較不同材料、結(jié)構(gòu)或制程的太陽能電池性能至關(guān)重要。
3. 缺陷識(shí)別:J-V曲線的特征,如S形曲線、低填充因子或低短路電流,可以指示太陽能電池可能存在的缺陷,如電荷復(fù)合、電流泄漏或系列電阻過大。
4. 穩(wěn)定性分析:通過連續(xù)的J-V測(cè)量,可以監(jiān)測(cè)太陽能電池在不同環(huán)境條件下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性,了解其性能衰退的速率和機(jī)制。
5. 優(yōu)化與改進(jìn):J-V測(cè)量結(jié)果可用于指導(dǎo)太陽能電池的進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn),幫助研究人員識(shí)別性能瓶頸并尋找解決方案。
6. 認(rèn)證與商業(yè)化:對(duì)于商業(yè)化產(chǎn)品,J-V測(cè)量是產(chǎn)品認(rèn)證和質(zhì)量控制的重要步驟。通過J-V測(cè)量獲得的數(shù)據(jù)可用于產(chǎn)品卷標(biāo)和市場(chǎng)推廣
本研究采用光焱科技-SS-X系列 AM1.5G 3A+級(jí)太陽光模擬器 搭配IVS-6000的量測(cè)軟件,及QE-R量子效率解決方案,使表征的參數(shù)可透過軟件經(jīng)簡(jiǎn)單導(dǎo)入后,進(jìn)行交叉分析,作為表征過程中輕松且具有效率的量測(cè)模式。
光焱科技作為創(chuàng)新科技,致力于提供精準(zhǔn)表征解決方案,采用先進(jìn)的表征技術(shù)及具有效率的量測(cè)程序,助力研究團(tuán)隊(duì)獲得高質(zhì)量且精準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。進(jìn)一步協(xié)助國(guó)內(nèi)研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)際學(xué)術(shù)舞臺(tái)上展現(xiàn)優(yōu)秀成果,提升學(xué)術(shù)影響力。
在快速發(fā)展的光伏領(lǐng)域中,提供關(guān)鍵參數(shù)和優(yōu)化方案,推動(dòng)研究器件性能提升。透過持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新和支持,促進(jìn)再生能源產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)定成長(zhǎng)。現(xiàn)階段也連接學(xué)術(shù)研究與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用,推動(dòng)科研成果轉(zhuǎn)化,促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)商業(yè)化的進(jìn)步。
非晶態(tài)(lysine)2Pbl2層展現(xiàn)高光電轉(zhuǎn)換效率成果
研究成員通過多種實(shí)驗(yàn)方法證實(shí)了無定形(賴氨酸)2PbI2層增強(qiáng)了鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率及穩(wěn)定性:
1. 效率提升:研究人員通過測(cè)量太陽能電池的電流密度-電壓(J-V)特性和量子效率(EQE),證明了無定形(賴氨酸)2PbI2層導(dǎo)致的光電轉(zhuǎn)換效率提升。與參考設(shè)備相比,采用無定形(賴氨酸)2PbI2層的設(shè)備展示了更高的功率轉(zhuǎn)換效率(PCE),達(dá)到了26.27%,并且具有更好的開路電壓(Voc)和填充因子(FF)。
2. 缺陷密度降低:研究人員觀察到無定形(賴氨酸)2PbI2層降低了非輻射復(fù)合,這與缺陷密度的降低相對(duì)應(yīng)。此外,無定形(賴氨酸)2PbI2層降低了陷阱能量深度和缺陷密度,這對(duì)提高電池效率至關(guān)重要。
3. 穩(wěn)定性增強(qiáng):研究人員通過長(zhǎng)時(shí)間的儲(chǔ)存壽命和操作穩(wěn)定性測(cè)試,證明了無定形(賴氨酸)2PbI2層對(duì)鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性的正面影響。在連續(xù)照明和/或加熱2000小時(shí)后,無定形(賴氨酸)2PbI2層抑制了鈣鈦礦的解構(gòu),而參考設(shè)備則出現(xiàn)了PbI2雜質(zhì)峰,表明其穩(wěn)定性較差。
4. 抑制有機(jī)組分分解:無定形(賴氨酸)2PbI2層作為屏障,防止了有機(jī)組分的分解,這有助于維持鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的完整性,進(jìn)一步提高了太陽能電池的穩(wěn)定性。
5. 結(jié)構(gòu)和組成分析:無定形(賴氨酸)2PbI2層的結(jié)構(gòu)和組成信息,證實(shí)了其作為有效鈍化層的特性。
綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果,研究證實(shí)了無定形(賴氨酸)2PbI2層在增強(qiáng)鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性方面的有效性。
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文獻(xiàn)參考自Nature Communications.2024_ DOI: 10.1038/s41467-024-51551-y
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