Adv. Energy Mater. 大面積異質結構實現高效穩定的鈣鈦礦太陽能電池模塊

【引言】

鈣鈦礦太陽能電池(PSC)當按比例放大到模塊時，在光、熱或電偏壓下效率低且穩定性差，從而極大地限制了它們的商業化。限制最先進的PSC模塊穩定性的最緊迫的問題之一是p摻雜劑在空穴傳輸層(HTL)表現出吸濕行為和遷移方面的問題。這導致鈣鈦礦層的嚴重腐蝕和HTL玻璃化轉變溫度的顯著降低。因此，這些PSC及其模塊很難通過光伏組件IEC標準測試。近年來，無機材料(NiO_x、CuI、CuSCN等)和無摻雜有機材料(小分子、聚合物、有機金屬化合物等)的發展是實現鈣鈦礦光伏長壽的關鍵策略。然而基于無機HTL的大多數PSC顯示出低效率，可能是由于它們在鈣鈦礦頂部的弱異質接觸。對于有機材料，由于HTL電學性能較差、能級不匹配，器件其效率受到了影響。此外，侯等人還開發了一種雙層結構，結合鉭摻雜氧化鎢和共軛聚合物膜，形成準歐姆接觸界面，實現了21.2%的最優效率。從異質結成功應用于高效硅太陽能電池得到啟發，Seo等人構建了由超薄的正己基三甲基溴化銨基寬帶隙鈣鈦礦層和窄帶隙鈣鈦礦層組成的異質結構。該策略有效地減少了鈣鈦礦/HTL界面處的復合，并使PSC具有高達22.7%的認證效率。盡管這些研究取得了顯著的成就，但是鈣鈦礦光電器件的壽命方面存在一個普遍的問題，即鈣鈦礦中的鹵素離子仍然可以擴散到HTL中，從而削弱HTL的p型半導體特性，尤其是在復雜的PSCs組件中。然而鹵化物離子對無摻雜HTL的影響鮮有研究。雖然引入2D網絡(如氧化石墨烯、二硫化鉬等)是抑制離子遷移、保護HTL的一個重要策略，但基于無摻雜HTL構建穩固的大面積異質結構，進而實現高效穩定PSC模塊仍然具有挑戰性。

【成果簡介】

近日，上海交通大學韓禮元教授團隊的畢恩兵博士、陳漢副教授（共同通訊作者）等人在Adv. Energy Mater.上發表了一篇題為“A Scalable Integrated Dopant-Free Heterostructure to Stabilize Perovskite Solar Cell Modules”的文章。報道了一種可擴展的異質結構，該異質結構由富碘表面的無甲銨鈣鈦礦膜、橋接氧化石墨烯納米片(BJ-GO)的超薄夾層和不含摻雜劑的HTL構成。在這種異質結構中，碘離子被致密的2D網絡物理固定，鉛缺陷被配位鍵化學鈍化。此外，具有可調表面能的BJ-GO將高度有序的HTL的載流子遷移率提高一個數量級。最后，采用該異質結構的面積為35.80 cm²的PSC模塊顯示出15.3%的認證效率。封裝的PSC模塊在85°C和85%相對濕度下濕熱測試1000小時后，保有初始效率的91%以上；在60°C的持續1個標準太陽光照下，在最大功率點下保持初始值的90%以上達1000小時。

【圖文導讀】

圖1 可規模化的BJ-GO薄膜的表征

a)鈣鈦礦表面的TEOS-氧化石墨烯、MPTES-氧化石墨烯和APTES-氧化石墨烯層示意圖；

b)鈣鈦礦、TEOS-氧化石墨烯/鈣鈦礦、MPTES-氧化石墨烯/鈣鈦礦和APTES-氧化石墨烯/鈣鈦礦表面的掃描電鏡圖像；

c)鈣鈦礦、TEOS-GO/鈣鈦礦、MPTES-GO/鈣鈦礦和APTES-GO/鈣鈦礦表面的原子力顯微鏡圖像；

d)通過開爾文探針力顯微鏡測量的鈣鈦礦、TEOS-氧化石墨烯/鈣鈦礦、MPTES-氧化石墨烯/鈣鈦礦和APTES-氧化石墨烯/鈣鈦礦表面的表面電位映射圖像。

圖2 縫合劑與GO之間化學相互作用的表征

a)GO和APTES-GO的傅里葉紅外光譜圖；

b)GO和APTES-GO的C1s XPS譜圖；

c)APTES和APTES-GO膜的N 1s XPS譜圖；

d) BJ-GO形成過程示意圖。

圖3 無摻雜異質結構的BJ-GO保護特性

a)GO、GO+碘化鉛、APTES-GO和APTES-GO+碘化鉛的傅里葉紅外光譜圖；

b)鈣鈦礦、TEOS-GO/鈣鈦礦、MPTES-GO/鈣鈦礦和APTES-GO/鈣鈦礦薄膜的Pb 4f XPS譜圖；

c)鈣鈦礦、TEOS-GO/鈣鈦礦、MPTES-GO/鈣鈦礦和APTES- GO/鈣鈦礦膜的碘元素XPS譜圖；

d, e) 在具有FTO/ETL/鈣鈦礦/HTL或FTO/ETL/鈣鈦礦/BJ-GO/HTL結構的器件中去除電極，得到初始HTL薄膜和老化HTL薄膜的平面導電性圖和平面電位圖。

圖4無摻雜異質結構PSCs的器件性能

a)鈣鈦礦和無摻雜HTL的能級圖；

b)采用無摻雜HTL的電池正掃IV曲線；

c)無摻雜TFB的對照器件和BJ-GO器件的正反掃I-V曲線；

d) 采用無摻雜HTL的PCE統計直方圖；

e, f) HTL/鈣鈦礦和HTL/BJ-GO/鈣鈦礦中HTL表面的AFM相圖像；

g) HTL/鈣鈦礦和HTL/BJ-GO/鈣鈦礦中HTL薄膜的橫向電導率。

圖5鈣鈦礦電池模塊性能表征

a, b)PSC模塊示意圖；

c)對照模塊和BJ-GO模塊的正掃IV曲線；

d) BJ-GO模塊的正反掃IV曲線；

e)封裝模塊在雙85測試下的熱穩定性；

f)在60℃的持續1個太陽光照下，封裝模塊在最大功率點處的穩定性。

【小結】

總之，作者成功開發了一種化學縫合策略，以開發一種夾在無甲銨鈣鈦礦和無摻雜劑HTL之間的可擴展BJ-GO 的2D網絡，該網絡被集成到一種穩固的無摻雜異質結構中。通過紫外光電子光譜和光致發光光譜，BJ-GO被證明顯著抑制結構中的離子遷移和非輻射電荷復合，有效地保持了無摻雜劑HTL的p極性。值得注意的是，通過采用無摻雜劑TFB，有效面積為35.80 cm²的PSC模塊實現了15.3%的認證效率。此外，封裝的PSC模塊在85°C和85%相對濕度下濕熱測試1000小時后，保有初始效率的91%以上；在60°C的持續1個標準太陽光照下，在最大功率點下保持初始值的90%以上達1000小時。該研究提出了2D網絡可擴展界面工程的新策略，并為穩定的鈣鈦礦電池商業化發展鋪平了道路。

文獻鏈接：A Scalable Integrated Dopant-Free Heterostructure to Stabilize Perovskite Solar Cell Modules, 2020, Adv. Energy Mater., DOI: 10.1002/aenm.202003301.?

陳漢博士，上海交通大學副教授，上海市青年拔尖人才。2005年開始在日本福井大學從事電化學方面研究，2010年獲得電化學博士學位；2010年開始在日本國立物質材料研究所從從事有機/無機太陽電池方面的研究。2012年至今在上海交通大學材料科學與工程學院從事有機/無機太陽電池方面的研究。其主要研究工作包括新型太陽電池工作機理、新材料和大面積制膜方法的開發、高效率器件制備等。在 Nature、Science、Joule 、Nature communications、Advanced Materials、Energy and Environmental Science、Joule 等國際著名期刊發表 SCI 學術論文50余篇，他引4000余次。先后五次打破新型低成本太陽電池效率的世界記錄，其中2016年利用完全自主知識產權的大面積納米薄膜沉積方法制備了鈣鈦礦太陽電池組件，并打破鈣鈦礦太陽電池組件的世界記錄。申請中國發明專利38項，授權19項。