陳江照&?Nam-Gyu Park Solar RRL：通過提升開路電壓和填充因子實現超過30%效率鈣鈦礦太陽能電池的方法

youyoucao 2年前 (2021-11-10) 3174瀏覽

擁有優異光電性能的金屬鹵鈣鈦礦材料已經被廣泛應用于各種各樣的光電器件。其中，鈣鈦礦太陽能電池引起了學術界與工業界的廣泛關注。得益于各種各樣策略的使用，鈣鈦礦太陽能電池的效率從2009不穩定的3.8%飆升到目前認證的25.5%，使得其展現了巨大的商業化應用前景。與此同時，自全固態鈣鈦礦太陽能電池首次報道9.7%的效率以來，其穩定性取得了長足的進展。盡管效率與穩定性取得了巨大的進展，但是仍然有必要進一步提升器件的效率與穩定性，以便最大程度釋放電池的潛力。鑒于單結鈣鈦礦電池的理論極限效率超過30%，在效率提升方面仍然有巨大的空間。

為了進一步提升電池效率，如何在不犧牲電流密度的前提下增加開路電壓與填充因子一個需要回答的問題。眾所周知，短路電流密度主要由鈣鈦礦材料的光吸收范圍與吸收強度決定，光吸收范圍又由帶隙決定。需要指出的是，優化鈣鈦礦薄膜質量很難顯著提升電流密度。因此，選擇窄帶隙鈣鈦礦材料是實現高電流密度及高效鈣鈦礦太陽能電池的前提條件。在鈣鈦礦太陽能電池發展的初期，MAPbI3鈣鈦礦使用最為廣泛，研究最為充分。基于MAPbI3的器件常常顯示低于22 mA/cm2的電流。接下來，甲脒陽離子（FA+）被使用來部分或完全取代甲銨陽離子（MA+）以減小帶隙與拓寬吸收光譜。在所有純Pb基鈣鈦礦中，FAPbI3擁有最窄的帶隙（1.45~1.52 eV）。最近兩年，有關FAPbI3的效率及相穩定性研究取得了巨大的進展。迄今為止，基于FAPbI3的電池已經實現了超過24%的效率。通過在FAPbI3引入少量的銫、MA和/或溴實現了超過25%的效率。這說明實現光捕獲效率與相穩定性的平衡極為重要。

開路電壓與電充因子與體相與界面非輻射復合密切相關，這主要由鈣鈦礦薄膜質量決定。因此，選擇純FA或富FA基低帶隙鈣鈦礦之后，制備少缺陷、大晶粒尺寸的高質量鈣鈦礦薄膜是實現高效鈣鈦礦太陽能電池的關鍵。迄今為止，各種各樣的策略已經被開發來優化鈣鈦礦薄膜質量，主要包括沉積方法、溶劑工程、添加劑工程及界面工程。這些通用的方法也適用于純FA或富FA基低帶隙鈣鈦礦。得益于這些策略，基于富FA基鈣鈦礦電池已經實現了超過25%的效率，該效率遠遠高于寬帶隙鈣鈦礦電池（如MAPbI3）的效率。通過分析純FA或富FA基低帶隙鈣鈦礦電池與寬帶隙鈣鈦礦電池的光伏性能參數發現，他們之間的效率差距主要源于電流密度。寬帶隙鈣鈦礦電池的電流密度常常低于24 mA/cm2而純FA或富FA基低帶隙鈣鈦礦電池的電流密度常常高于24 mA/cm2。以上研究結果表明如何在不犧牲電流密度的前提下進一步增加電壓與填充因子是實現高效電池的關鍵。

最近幾年，大量的研究工作聚焦于純FA或富FA基低帶隙鈣鈦礦電池的光伏性能，取得了巨大的研究進展。鑒于此，重慶大學陳江照研究員和韓國成均館大學Nam-Gyu Park教授從組分工程、沉積方法、溶劑工程、添加劑工程及界面工程的角度討論了基于純FA或富FA基低帶隙高效率鈣鈦礦太陽能電池（效率超過23%）的研究進展。需要指出的是，本文聚焦討論了純FA或富FA鉛基鈣鈦礦材料。基于詳細的分析與討論，本文指出了進一步提升純FA或富FA鉛基鈣鈦礦太陽能電池效率的策略、方法及研究方向。

ToC

Figure 1.?(a) Calculated Shockley–Queisser limit PCEs (black line) and the champion PCEs (data points) for various solar cells depending on the bandgaps of light absorbers. The PCE of 25.6% for perovskite was updated from the previous literature. (b) J-V?curves of PSC with a bandgap of 1.6 eV depending on radiative, SRH, and/or interface recombination. Reproduced with permission.

Jiangzhao Chen#*, Dongmei He#, and Nam-Gyu Park*. Methodologies for >30% efficient perovskite solar cells via enhancement of voltage and fill factor. Solar RRL 2021, DOI:10.1002/solr.202100767. 鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/solr.202100767

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