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中科院黃維院士分子錨定策略22.3%Pb-Sn鈣鈦礦疊層電池

發(fā)表時間:2024/8/29 15:15:46

前言

隨著全球?qū)沙掷m(xù)能源需求的日益增長,提高太陽能電池的效率和穩(wěn)定性成為當(dāng)前科研領(lǐng)域的重要課題。Pb-Sn鈣鈦礦太陽能電池因其潛在的高效率和低成本制造而備受關(guān)注。然而,這些器件的性能往往受到材料結(jié)晶質(zhì)量和界面特性的限制。

中科院黃維院士與西北工業(yè)冉晨鑫團(tuán)隊(duì)在Advanced MaterialsDOI: 10.1002/adma.202404185)中,提出了一種全新的分子錨定策略,旨在提升Pb-Sn鈣鈦礦太陽能電池的性能。研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了L-丙氨酸甲酯作為錨定添加劑,用以誘導(dǎo)垂直晶體生長,并介紹了PEA2PbI3SCN薄膜在促進(jìn)埋藏界面均勻結(jié)晶中的作用。此外,乙二胺二鹵化物(EDA(I/Cl)2)的后處理有助于調(diào)整薄膜表面的能級對齊。這些創(chuàng)新的方法共同作用下,使得Pb-Sn鈣鈦礦太陽能電池的功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)達(dá)到了22.3%,填充因子(FF)高達(dá)82.14%。在串聯(lián)器件中,結(jié)合1.78 eV寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池,實(shí)現(xiàn)了27.1%PCE


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導(dǎo)讀目錄

  1. 前言

  2. 研究目的

  3. 研究方法

  4. 器件與表征

  5. 結(jié)論


研究目的

  1. 引導(dǎo)晶體垂直生長,優(yōu)化載流子傳輸:利用分子錨定劑引導(dǎo)晶體垂直生長,促進(jìn)結(jié)晶均勻性,減少缺陷,優(yōu)化載流子傳輸和收集。

  2. 構(gòu)建高質(zhì)量埋藏界面,改善界面接觸:構(gòu)建高質(zhì)量的埋藏界面,促進(jìn)界面處晶體均勻結(jié)晶,減少缺陷密度,改善界面接觸。

  3. 調(diào)整薄膜表面能級排列,提升電荷提取效率:通過后處理調(diào)整薄膜表面能級排列,進(jìn)一步提升電荷提取效率,降低界面電荷復(fù)合。

  4. 探究分子錨定策略對電池穩(wěn)定性和壽命的影響


研究方法

  1. 材料制備:研究團(tuán)隊(duì)首先制備了各種前驅(qū)體溶液,包括Pb-Sn鈣鈦礦、PEA2PbI3SCNEDA(I/Cl)2等,并詳細(xì)記錄了制備過程。

  2. 薄膜沉積:團(tuán)隊(duì)使用旋涂法沉積鈣鈦礦薄膜,并通過熱退火和使用抗溶劑來控制結(jié)晶過程。
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    S19:基于三種不同薄膜的太陽能電池的PCE(能量轉(zhuǎn)換效率)、FF(填充因子)、Voc(開路電壓)和Jsc(短路電流密度)的分布統(tǒng)計,表明薄膜C的器件性能最佳。  

  3. 器件制造:研究人員制作了完整的太陽能電池器件,包括ITO玻璃、PEDOT、鈣鈦礦活性層、PCBM、BCPAg電極等。


器件與表征

  1. 材料和器件表征:研究團(tuán)隊(duì)使用了多種表征技術(shù)來分析鈣鈦礦薄膜和器件的特性,包括:

    • 動態(tài)光散射(DLS):用來測量粒徑分布。

    • 傅里葉變換紅外光譜(FTIR):分析化學(xué)組成和鍵合情況。

    • 掃描電子顯微鏡(SEM)和原子力顯微鏡(AFM):觀察薄膜的表面形貌和結(jié)構(gòu)。

    • X射線衍射(XRD)和掠入射廣角X射線散射(GIWAXS):分析薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和取向。

    • 紫外-可見光譜(UV-Vis):測量薄膜的光學(xué)性質(zhì)。

    • 光致發(fā)光譜(PL)和時間分辨光致發(fā)光譜(TRPL):研究薄膜的發(fā)光特性和載流子動力學(xué)。

    • 紫外光電子能譜(UPS):分析薄膜的能級結(jié)構(gòu)。

    • 飛行時間二次離子質(zhì)譜(ToF-SIMS):研究薄膜的元素分布。

  2. 器件性能測試:團(tuán)隊(duì)在N2氣氛中使用Keithley      2400源表和太陽光模擬器測試了太陽能電池的性能,包括I-V特性和最大功率點(diǎn)追蹤。

  3. 電化學(xué)阻抗譜(EIS)和外量子效率(EQE)測量:

    • 電流-電壓(J-V)特性測量: 使用 Enlitech 太陽光模擬器模擬太陽光照,測量太陽能電池的 J-V 特性曲線,計算開路電壓(Voc)、短路電流(Isc)、填充因子(FF)和能量轉(zhuǎn)換效率(η)等關(guān)鍵性能參數(shù)。

    • 外部量子效率(EQE)測量: 使用量子效率測量系統(tǒng)或 Enlitech QTEST HIFINITY 5 外部量子效率測量系統(tǒng),評估太陽能電池在不同波長下的光電轉(zhuǎn)換效率。

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S21:在有無AME兩種不同條件下,基于薄膜C的太陽能電池的PCEFF、VocJsc的分布統(tǒng)計。結(jié)果顯示,不含AME的器件性能遠(yuǎn)低于含有AME的器件,證明了AMEPEA2PbI3SCN薄膜的協(xié)同作用對于調(diào)控結(jié)晶過程和提高器件性能至關(guān)重要。


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S22:不同I/Cl比例的EDA(I/Cl)2處理后的太陽能電池的PCE、FF、VocJsc的分布統(tǒng)計結(jié)果。通過比較器件性能,研究人員發(fā)現(xiàn)ICl的最佳比例為1.2:1,此時器件性能最佳。

    • 電致發(fā)光(EL)測量: 使用電致發(fā)光測量系統(tǒng)分析太陽能電池中的電荷復(fù)合和缺陷分布。

  1. 穩(wěn)定性測試:N2氣氛中進(jìn)行,以評估太陽能電池的長期穩(wěn)定性。


結(jié)論

這項(xiàng)研究成功展示了利用分子錨定策略構(gòu)建具有垂直均勻結(jié)晶和優(yōu)化界面的 Pb-Sn 鈣鈦礦薄膜,有效提升了太陽能電池的性能。通過使用 L-丙氨酸甲酯、PEA2PbI3SCN 薄膜和乙二胺二鹵化物后處理,制備出的 Pb-Sn 鈣鈦礦太陽能電池達(dá)到了 22.3% 的高功率轉(zhuǎn)換效率和 82.14% 的填充因子,并在四端全鈣鈦礦串聯(lián)器件中實(shí)現(xiàn)了 27.1% 的功率轉(zhuǎn)換效率。這項(xiàng)研究證實(shí)了分子錨定策略在提升 Pb-Sn 鈣鈦礦太陽能電池及其串聯(lián)器件性能方面的有效性,為未來高效率鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展提供了新的方向。

研究結(jié)果顯示:

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S27:控制組器件和目標(biāo)器件在原始狀態(tài)和T80條件下的功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)穩(wěn)定性。結(jié)果顯示,控制組器件的PCE隨時間推移迅速下降,而目標(biāo)器件的PCE則保持了較高的穩(wěn)定性。這表明目標(biāo)器件的開路電壓(Voc)和填充因子(FF)更加穩(wěn)定,這可能是由于分子錨定策略改善了鈣鈦礦薄膜的質(zhì)量和界面特性,從而降低了電荷復(fù)合并提高了電荷傳輸效率。

裝機(jī)示意照展示

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      推薦設(shè)備


           SS-X

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文獻(xiàn)參考自Advanced Materials_DOI:10.1002/adma.202404185

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