Adv. Energy Mater.: 銫和銣添加劑在鈣鈦礦太陽能電池中的作用

【引言】

有機-無機雜化鈣鈦礦太陽電池作為一項有前景的技術已經受到廣泛關注。最近，無機陽離子，如銣（銣）和銫（Cs）已被添加到鈣鈦礦層中，從而使鈣鈦礦電池的功率轉換效率（PCE）高達21.6%。無機陽離子添加劑已被證明能提高FAPbI₃的穩定性。為了達到最高效率和高穩定性，研究人員已經進行了廣泛的器件優化工作，其中重點關注了鈣鈦礦層的制備。在不同的鈣鈦礦制備工藝條件下，研究人員探索并優化了一價陽離子（FA、MA、Cs、Rb）和鹵化物（I和Br）的各種組合和配比。然而，包含Cs、Rb的鈣鈦礦太陽電池的性能提高的根本原因還沒有討論清楚。為了開發具有最高性能和穩定性的鈣鈦礦型太陽能電池，必須要了解無機陽離子添加劑對鈣鈦礦光電性能的影響。

【成果簡介】

近日，紐卡斯爾大學的Pablo Docampo、慕尼黑大學的Michiel L. Petrus、代爾夫特理工大學的Tom J. Savenije和德國巴伐利亞應用能源研究中心的Andreas Baumann（共同通訊作者）在Adv. Energy Mater.上發表最新研究成果“Understanding the Role of Cesium and Rubidium Additives in Perovskite Solar Cells: Trap States, Charge Transport, and Recombination”。在該文中，研究者利用飛行時間、時間分辨微波電導率和熱刺激電流測量，闡明無機陽離子添加劑對鈣鈦礦太陽電池缺陷和電荷輸運性質的影響。研究表明：銫的摻入可以降低鈣鈦礦層的缺陷密度和電荷復合率。銣的添加導致電荷載流子遷移率增加，使器件效率小幅的提高和電流-電壓滯后效應的降低。通過在四陽離子鈣鈦礦中混合銫和銣，可以實現整合無機陽離子的優勢。

【圖文導讀】

圖1 鈣鈦礦太陽電池的性能分析

（a）鈣鈦礦太陽電池器件結構示意圖

（b）鈣鈦礦太陽能電池在最大功率點處功率轉化效率隨時間的變化

（c-f）鈣鈦礦太陽電池光伏參數統計圖

圖2 鈣鈦礦宏觀電荷載流子輸運

（a）在正偏壓下，提取的運輸時間隨電極距離的變化

（b）在負偏壓下，提取的運輸時間隨電極距離的變化

圖3微觀電荷載流子輸運

（a）FAMA的時間分辨微波電導圖

（b）Cs5的時間分辨微波電導圖

（c）Rb5的時間分辨微波電導圖

（d）Rb5Cs5的時間分辨微波電導圖

圖4 缺陷譜分析

（a）FAMA, Cs5, Rb5和Rb5Cs5的缺陷譜分析

（b）相關溫度區缺陷譜的阿倫尼烏斯圖

圖5 無機陽離子添加劑在太陽電池中的作用示意圖

【小結】

在這項工作中，研究者探討了Cs和Rb的加入對混合鈣鈦礦太陽電池的載流子遷移率、復合速率和捕獲態的影響。Rb的加入導致電荷載流子遷移率的增加，但對鈣鈦礦層缺陷的影響不大。然而，Cs摻入顯著降低了鈣鈦礦晶體缺陷態的數目和深度。通過將二者結合，研究人員觀察到最高的光生電荷的移動性和最低的缺陷密度，這使太陽能電池具有最高的穩定輸出功率。因此，多陽離子鈣鈦礦太陽能電池效率的瓶頸主要是缺陷態的數量和性質而不是鈣鈦礦層的載流子遷移率。

文獻鏈接： Understanding the Role of Cesium and Rubidium Additives in Perovskite Solar Cells: Trap States, Charge Transport, and Recombination（Adv. Energy Mater.，2018，10.1002/aenm.201703057）

本文由材料人編輯部新能源小組馬永超編譯整理，點我加入材料人編輯部。

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