四川大學最新Joule：兼具低非輻射復合和局部載流子傳輸損耗的高效鈣鈦礦太陽能電池組件

【引言】?

?近年來，鈣鈦礦型太陽能電池（PSCs）由于光電轉換效率（PCE）高、制備成本低、工藝簡單、柔性輕便等優點引起人們的廣泛關注。鈣鈦礦的化學通式為ABX₃，其中A（甲基銨，[MA]=CH₃NH₃⁺和甲酰胺，[FA]=CH₃(NH₂)₂⁺）, B（Pb²⁺, Sn²⁺和Ge²⁺）以及X（I^-，Br^-和Cl^-）分別代表有機陽離子、二價金屬陽離子和陰離子。目前高性能的PSCs一般采用三陽離子（FA⁺、MA⁺和Cs⁺）鈣鈦礦作為吸收層。 雖然三陽離子體系已被證明能促進鈣鈦礦材料的均勻成膜，形成具有雜質較少、熱穩定性好的吸收層材料，但基于三陽離子的太陽能電池器件性能仍遠未達到預期。肖克利-奎塞爾極限（SQ）基于“器件內部所有載流子僅發生輻射復合”這一理想情況，預測了單結太陽能電池所能到達的最高理論效率。而在實際情況下，由于非均勻分布的缺陷中心造成的非輻射復合和載流子輸運損失限制了效率的提升。前者降低了兩個能帶中的非平衡載流子濃度，導致準費米能級分裂和最大開路電壓(V_OC)的降低，而后者則表示結載流子輸運到電極過程中發生的損耗。因此，降低非輻射復合和載流子傳輸損失是實現高性能太陽能電池的可行策略。在之前大多數研究中，評價PSCs鈍化效果和器件內部載流子動力學特性基本都采用穩態光致發光(PL)或時間分辨光致發光(TRPL)，后者是研究PSCs中載流子壽命最廣泛的技術。然而，此類表征手段的不足之處在于它們只關注材料或器件在局部范圍內的特性，因而可能并不適于大面積分析。作為一種替代方法，空間分辨熒光成像技術可以實現在較大尺度如微米以上材料和器件進行各種觀測表征。另外，基于CCD成像的測試系統可以在幾秒鐘內收集一系列發光圖像，有利于大規模PSCs的快速評估。

????近日，四川大學太陽能材料與器件研究所提出了一種基于光電互易定理與PSCs熒光成像技術相結合的表征策略，采用過量的氯化鉛（PbCl₂）組分工程（MACl與PbCl₂雙氯鈍化）提高了鈣鈦礦薄膜的均勻性并抑制了非輻射復合，顯著提高了薄膜質量、優化了器件性能。基于(CsPbI₃)_0.05((FAPbI₃)_1-x(MAPbBr₃)_x)_0.95吸收層的PSCs外量子熒光效率達到1.14％（相當于0.116 V的非輻射電壓損失）。在一定輻照水平下，具有良好的局部和全局載流子傳輸特性。基于前驅液過量PbCl₂組分工程實現缺陷鈍化的小面積PSCs獲得接近22%的平均效率。最后，研究者們在孔徑面積為25.49 cm²的鈣鈦礦太陽能電池組件上實現了認證效率17.88％的突破，組件的填充因子達到了78％以上。本文所報道的定量和空間分辨的表征技術在未來對實驗室小面積PSCs進行實時跟蹤以及在大面積組件的快速檢測方面展現出了巨大的應用潛力。相關研究成果以“Efficient?Perovskite Solar Modules with Minimized Nonradiative Recombination and Local Carrier Transport Losses”為題發表在Joule上。

【圖文導讀】

圖一、鈣鈦礦薄膜的性質表征

（A,?B）對照組和經PbCl₂鈍化后的鈣鈦礦薄膜的高分辨率μ-PL圖像；

（C-F） 對照組和經PbCl₂鈍化后的鈣鈦礦薄膜PL發射譜、Raman光譜 、TRPL載流子壽命和X射線衍射譜。

圖二、內部電壓分布、外部發光效率和相應的非輻射復合損耗

（A）PSCs電池結構示意圖；

（B）完整電池器件的截面SEM圖像；

（C-E）對照組和PbCl₂鈍化組鈣鈦礦太陽能電池的局部結電壓成像及與其對應的局部結電壓統計分布；

（F, G）對照組和PbCl₂鈍化組鈣鈦礦太陽能電池的外量子熒光效率與對應非輻射復合電壓損失。

?圖三、器件的局部和全局載流子傳輸性質

（A,?B）對照組和經PbCl₂鈍化的鈣鈦礦電太陽能池在最佳工作條件下局部載流子傳輸效率分布；

（C）全局載流子傳輸效率隨電壓變化關系；

（D）全局載流子傳輸效率隨等效光強變化關系；

（E, F）對照組和PbCl₂鈍化的鈣鈦礦太陽能電池在不同工作點下局部載流子傳輸效率分布。

?圖四、標準測試條件(AM1.5G, 100 mW/cm², 25 ℃)下電池和組件的性能

(A) 小面積鈣鈦礦太陽能電池JV特性曲線；

(B) 25.49 cm²鈣鈦礦太陽能電池組件的IV特性曲線；

(C) 鈣鈦礦太陽能電池組件穩態光電流和效率。

【小結】

本文報道了有效的缺陷鈍化和器件精細化表征策略，將廣義光電互易理論和熒光成像技術相結合，采用前驅液過量氯化鉛的組分工程對吸收層進行鈍化，提高了鈣鈦礦薄膜的均勻性并抑制了材料內部少數載流子的非輻射復合，使器件的外量子熒光效率提升至1.14％（相當于僅0.116 V的非輻射電壓損失），使得小面積電池的平均效率提升至接近22%。通過這一組分工程策略，結合快速成像技術對材料及器件的測試表征結果，研究者最終成功制備出認證效率達17.88%的鈣鈦礦太陽能電池組件（孔徑面積25.49 cm²），其填充因子超過78%。本文的研究結果表明，定量和空間分辨測試表征技術有望成為在鈣鈦礦太陽能電池組件的大規模生產中進行實時評估和快速檢測的重要工具。

本文的通訊作者為四川大學趙德威研究員和郝霞副研究員，電子科技大學任翱博和四川大學賴華貴為共同第一作者。文獻鏈接：“Efficient Perovskite Solar Modules with Minimized Nonradiative Recombination and Local Carrier Transport Losses”(Joule，2020，10.1016/j.joule.2020.04.013)

本文由CYM編譯供稿。