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表面拋光與鈍化提升鈣鈦礦疊層太陽能電池效率至28.49%

發(fā)表時間:2024/9/9 14:54:26

引言

在探尋高效率太陽能轉換技術的道路上,全鈣鈦礦串聯太陽能電池由于其突破單結晶太陽能電池效率限制的潛力而備受矚目。然而,其效率提升卻受限于錫-鉛混合窄帶隙鈣鈦礦薄膜中的表面缺陷所引發(fā)的非輻射復合損失。

華中科技大學劉宗豪和陳煒于《Nature Communications(26 Aug.DOI 10.1038/ s41467-024-51703-0)提出了一種創(chuàng)新的表面重建策略,透過使用1,4-丁二胺作為化學拋光劑和乙二胺二碘化物作為表面鈍化劑,有效消除了與錫相關的缺陷,并對抗有機陽離子和鹵化物空位的缺陷。這一策略不僅提升了錫-鉛混合鈣鈦礦薄膜的質量,還在鈣鈦礦/電子傳輸層界面處最小化了非輻射能量損失。結果顯示,經此改良的錫-鉛混合鈣鈦礦太陽能電池達到了22.65%23.32%的能量轉換效率,而全鈣鈦礦串聯太陽能電池的認證能量轉換效率更是一舉達到了28.49%。


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導讀目錄

1.    引言

2.    研究目的

3.    研究方法

4.    器件與表征

5.    結論


研究目的

  1. 開發(fā)一種表面重建策略,以消除Sn–Pb混合鈣鈦礦薄膜中的Sn相關缺陷,并鈍化有機陽離子和鹵化物空位缺陷。

  2. 利用化學拋光劑BDA1,4-丁二胺)和表面鈍化劑EDAI2(乙二胺二碘化物)來提高鈣鈦礦薄膜的表面質量。

  3. 減少非輻射能量損失,特別是在鈣鈦礦/電子傳輸層界面處。

  4. 提升Sn–Pb混合鈣鈦礦太陽能電池的能量轉換效率

  5. 實現兩結全鈣鈦礦串聯太陽能電池的高認證能量轉換效率

  6. 通過長時間的最大功率點跟蹤(MPPT)測試,證明經過表面改造的太陽能電池具有良好的穩(wěn)定性和耐用性。


研究方法

研究團隊的研究重點是提升全鈣鈦礦串聯太陽能電池(TSCs)的能量轉換效率(PCE),特別是通過減少Sn–Pb混合鈣鈦礦薄膜表面的非輻射性載流子復合損失來實現這一目標。他們進行了一項表面重建策略,使用化學拋光劑1,4-丁二胺(BDA)和表面鈍化劑乙基二胺二碘化物(EDAI2)來消除Sn相關的缺陷并鈍化有機陽離子和鹵化物空位缺陷。

研究團隊進行的具體步驟包括:

  1. 使用不同濃度的BDA/IPA溶液處理鈣鈦礦表面,以鈍化表面并獲得致密形態(tài)。
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  2. 通過形態(tài)分析來觀察處理后的鈣鈦礦表面變化。

  3. 使用密度泛函理論(DFT)計算來模擬BDASn-rich表面的相互作用。
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  4. 進行電子定位函數(ELF)分析來可視化BDA如何通過Sn-N鍵合來鈍化缺陷。

  5. 使用光致衰減譜(TAS)方法來測量控制和BDA-EDAI2改性PSC的非輻射復合。

  6. 通過殘余應力分析來計算鈣鈦礦表面薄膜上的殘余應力。


器件與表征

材料表征

器件表征

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圖片4c說明:
經過BDA-EDAI2修飾的全鈣鈦礦串聯太陽能電池的電流密度-電壓特性。圖中顯示了在正向和反向掃描下的性能數據,并且報告了這些器件在不同掃描方向下的功率轉換效率(PCE),分別為28.80%(反向掃描)和28.76%(正向掃描)。這些數據表明,BDA-EDAI2修飾顯著提升了器件的光電轉換效率,是研究中重要的性能指針。

在進行測量時,研究團隊會將樣品放置在ELCT-3010儀器中,該儀器能夠提供必要的電壓和電流來激發(fā)樣品發(fā)光,并精確地測量發(fā)光的強度。通過這種方式,研究人員可以計算出EQEEL值,從而了解器件將電能轉化為光能的效率。EnlitechELCT-3010產品專門設計用于這種應用,能夠提供準確和可靠的測量結果。


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光焱科技Enlitech REPS實際裝機示意照


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外部量子效率(EQE): 用來評估太陽能電池對不同波長光的轉換效率。

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圖片4d
EQE
光譜:顯示WBGNBG子電池的EQE光譜,計算出J_SC分別為15.70 mA/cm215.32 mA/cm2。缺陷密度狀態(tài)(tDOS)分析: 用來分析控制和BDA-EDAI2改性PSC的缺陷能級分布。


結論

研究團隊在這項研究中成功地展示了一種創(chuàng)新的表面重建策略,通過使用1,4-丁二胺(BDA)作為化學拋光劑,結合乙二胺二碘化物(EDAI2)作為表面鈍化劑,顯著提升了全鈣鈦礦串聯太陽能電池的效率。我們的策略有效地消除了錫鉛混合鈣鈦礦薄膜中的表面缺陷,并抑制了界面非輻射復合損失,從而實現了接近理想的功率轉換效率。經過BDA-EDAI2修飾的器件不僅在小面積測試中達到了28.49%的認證效率,還在長時間的穩(wěn)定性測試中保持了優(yōu)異的性能。這一突破性進展不僅為提高鈣鈦礦太陽能電池的效率提供了新的思路,也為未來的光伏技術發(fā)展奠定了堅實的基礎。我們相信,這一研究將激發(fā)更多關于表面工程和材料優(yōu)化的探索,推動可再生能源技術的進一步革新。


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文獻參考自Nature Communications 26 Aug._DOI:10.1038/ s41467-024-51703-0

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