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Nat. 譚海仁團(tuán)隊(duì):定制二維鈣鈦礦助力全鈣鈦礦串聯(lián)電池

發(fā)表時(shí)間:2024/10/29 16:28:43

研究成就與看點(diǎn)


研究團(tuán)隊(duì)

作者:這篇關(guān)于全鈣鈦礦串聯(lián)太陽(yáng)能電池的文章是由一個(gè)大型國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)共同撰寫的,主要通訊作者包括:
譚海仁 (Hairen Tan):來自中國(guó)南京大學(xué)

Samuel D. Stranks:來自英國(guó)劍橋大學(xué)

Lijun Zhang:來自中國(guó)吉林大學(xué)


第二部分:研究背景

近年來,窄帶隙和寬帶隙(分別簡(jiǎn)稱NBGWBG)鈣鈦礦材料的進(jìn)展促進(jìn)了串聯(lián)器件的發(fā)展,包括小面積(約0.1 cm2有效面積)的全鈣鈦礦串聯(lián)太陽(yáng)能電池,其最佳認(rèn)證功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)超過28%。1 然而,有效面積≥1 cm2的全鈣鈦礦串聯(lián)器件的認(rèn)證PCE僅為26.4%。 WBG鈣鈦礦太陽(yáng)能電池仍有很大的改進(jìn)空間,特別是對(duì)于大面積器件。


第三部分:解決方案與實(shí)驗(yàn)過程

解決方案

本研究發(fā)現(xiàn) C60 的沉積不僅會(huì)在界面處引入高密度的缺陷,還會(huì)導(dǎo)致鈣鈦礦表面靜電勢(shì)不均勻,從而導(dǎo)致器件性能不均勻。為了解決這個(gè)問題,研究團(tuán)隊(duì)提出了一種創(chuàng)新的方法,即在界面處引入 F-PEA  CF3-PA 的混合物,形成「定制二維鈣鈦礦層」(TTDL)

實(shí)驗(yàn)過程與步驟

  1. 材料制備:

  2.  組件制備:

  3.   制備過程中發(fā)現(xiàn):


第四部分:研究成果表征

本研究采用了多種表征手段來分析 TTDL 的形成機(jī)制和功能,以及 TTDL 對(duì) WBG PSC 和全鈣鈦礦串聯(lián)電池性能的影響。
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l   太陽(yáng)能電池的J-V特性測(cè)量: 文獻(xiàn)中提到,使用光焱科技的太陽(yáng)光模擬器在 100 mW cm-2 的光強(qiáng)度下測(cè)量單結(jié)和串聯(lián)太陽(yáng)能電池的電流密度-電壓 (J-V) 特性。
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3b:展示了 1.05 cm2 控制組、F-PEA、CF3-PA TTDL WBG 太陽(yáng)能電池的 J-V 曲線。從圖中可以清楚地看到 TTDL 器件在開路電壓 (VOC) 和填充因子 (FF) 上的提升。


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3d: 展示了 TTDL WBG 太陽(yáng)能電池 (有效面積 1.05 cm2) J-V 曲線,并標(biāo)示了正向和反向掃描的結(jié)果。


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l   4b: 展示了 26 個(gè)最佳性能串聯(lián)器件的 J-V 曲線,并包含正向和反向掃描的結(jié)果,顯示器件幾乎沒有遲滯現(xiàn)象。


·         光致發(fā)光 (PL)

團(tuán)隊(duì)利用 PL來研究 WBG 鈣鈦礦薄膜的均勻性和 C60 沉積對(duì)薄膜表面的影響。通過比較沉積 C60 前后薄膜的 PL 強(qiáng)度分布,作者發(fā)現(xiàn) C60 的沉積會(huì)導(dǎo)致薄膜表面缺陷密度的增加和靜電勢(shì)的不均勻分布,進(jìn)而影響器件性能的均勻性。


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1a: 展示了沉積 C60 前后,玻璃/ITO/NiO/SAM/鈣鈦礦薄膜的 PL 顯微鏡圖像和直方圖。從圖中可以清楚地看到,沉積 C60 后,PL 強(qiáng)度下降,且 PL 強(qiáng)度分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差 (σ) 增加,表明 C60 的沉積導(dǎo)致了薄膜表面缺陷密度的增加和靜電勢(shì)的不均勻分布。


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1b: 展示了不同插入層對(duì)玻璃/ITO/NiO/SAM/鈣鈦礦/插入層/C60 薄膜堆棧結(jié)構(gòu)的 PL 映像圖像的影響。通過比較不同插入層的 PL 圖像,可以直觀地觀察到 TTDL 處理后的薄膜具有最高的 PL 強(qiáng)度和最佳的均勻性。


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1e: 展示了沉積 C60 前后,玻璃/ITO/NiO/SAM/鈣鈦礦/TTDL 薄膜的 PL 顯微鏡圖像和直方圖。與圖 1a 的結(jié)果相比,使用 TTDL 后,沉積 C60 后的 PL 強(qiáng)度分布標(biāo)準(zhǔn)偏差 (σ) 幾乎沒有變化,表明 TTDL 能有效抑制 C60 沉積對(duì)薄膜均勻性的影響。


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補(bǔ)充圖 7 8: 提供了更多不同區(qū)域的 PL 顯微鏡圖像和直方圖,進(jìn)一步左證了 C60 沉積對(duì)薄膜均勻性的影響,以及 TTDL 在抑制這種影響方面的效果。


JSCEQE 的分析

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除了PLQY檢測(cè)外,還可進(jìn)行PL光譜隨時(shí)間變化連續(xù)測(cè)試,

并繪制成2D3D顯示圖-稱為原位時(shí)間解析PL光譜圖。


其他表征


第五部分:研究成果

本研究成功開發(fā)了一種名為「定制二維鈣鈦礦層」(TTDL) 的新型界面層,應(yīng)用于廣帶隙 (WBG) 鈣鈦礦太陽(yáng)能電池 (PSC),有效提升了組件性能,特別是在平方公分規(guī)模的電池上 。通過在 WBG 鈣鈦礦和 C60 電子傳輸層之間引入 TTDL,研究團(tuán)隊(duì)成功地解決了 C60 沉積導(dǎo)致的界面缺陷和靜電勢(shì)不均勻問題,從而顯著提高了 WBG PSC 的效率和均勻性。


TTDL 的主要研究成果如下:

  1. 顯著提高了 WBG PSC 的性能: 藉由 TTDL 的引入,1.77-eV WBG PSC 在平方公分規(guī)模下實(shí)現(xiàn)了 1.35 V 的高開路電壓和 20.5% 的效率。與未經(jīng)處理的控制組器件相比,TTDL 器件的平均 PCE 提高了 1.7%,平均 Voc 提高了 40 mV 。

  2. 提升了 WBG      PSC 的均勻性: TTDL 中的 F-PEA 可以形成二維鈣鈦礦,有效地鈍化了鈣鈦礦/C60 界面,減少了缺陷密度,并改善了界面處的靜電勢(shì)分布。 PL 顯微鏡圖像顯示,TTDL 器件的 PL 強(qiáng)度分布更加均勻,標(biāo)準(zhǔn)偏差從控制組樣品的 5.2% 降低到 3.4%。

  3. 增強(qiáng)了電荷提取和傳輸: TTDL 中的 CF3-PA 可以降低二維鈣鈦礦的導(dǎo)帶最小值 (CBM),改善了鈣鈦礦和 C60 之間的能級(jí)匹配,從而增強(qiáng)了電荷提取和傳輸。 瞬態(tài)光致發(fā)光 (TRPL) 研究表明,與控制組器件相比,TTDL 器件的載流子壽命更長(zhǎng),表明界面電荷復(fù)合得到了抑制。

  4. 實(shí)現(xiàn)了高效的全鈣鈦礦串聯(lián)太陽(yáng)能電池:            TTDL WBG PSC 1.25-eV NBG PSC 堆棧,研究團(tuán)隊(duì)制造出      1.05 平方公分的全鈣鈦礦串聯(lián)電池,效率高達(dá) 28.5%(認(rèn)證效率為 28.2%),創(chuàng)下目前所有報(bào)導(dǎo)中的最高紀(jì)錄。

本研究的主要貢獻(xiàn)在于開發(fā)了一種簡(jiǎn)單有效的界面工程策略,可以顯著提高 WBG PSC 的性能和均勻性,為大規(guī)模制造高效穩(wěn)定的全鈣鈦礦串聯(lián)太陽(yáng)能電池提供了新的思路。



文獻(xiàn)參考自NATURE_DOI: 10.1038/s41586-024-08158-6

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