Nature Energy:具有1400?小時以上高溫工作穩定性的平面鈣鈦礦太陽電池用雙層導電聚合物結構

【背景介紹】

基于FAPbI₃的平面異質結鈣鈦礦太陽能電池在60-70℃的光照下顯示出超過1000小時的T₈₀壽命(失去20%初始吸光度所需的時間)。不幸的是，平面異質結鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)的壽命仍然遠遠落后于工業硅太陽能電池，后者保證了0.5%的年衰退率，特別是在高溫(60-85℃)下工作時。不穩定機制包括離子遷移、鈣鈦礦分解等。鈣鈦礦型太陽能電池的長期穩定性仍然是一個挑戰，因為無論是鈣鈦礦層還是器件架構都需要長期工作。

【成果簡介】

來自埃爾蘭根-紐倫堡亥姆霍茲研究所的Yicheng Zhao?和Christoph J. Brabec團隊首先使用自建的高通量篩選平臺來尋找在熱和光下穩定的鈣鈦礦成分。然后，本文使用最穩定的鈣鈦礦組成來研究太陽能電池接觸層的穩定性。本文報道了過渡金屬氧化物接觸(如Ta-WO_x/NiO_x)的熱降解機理，并提出了一種由酸摻雜聚合物堆積在無摻雜聚合物上的雙層結構作為替代。無摻雜劑聚合物在鈣鈦礦和酸摻雜聚合物之間提供了酸屏障。雙層結構在高溫下表現出穩定的歐姆接觸，并能緩沖碘蒸氣的影響。基于雙層接觸(有MgF₂覆蓋層)的無封裝器件在金屬鹵化物燈下，在65?℃的N₂氣氛中連續工作1450?h后，仍然保持了99%的峰值效率，并且在整個老化過程中，該器件的磁滯也可以忽略不計。相關工作以題為“A bilayer conducting polymer structure for planar perovskite solar cells with over 1,400?hours operational stability at elevated temperatures”的研究性文章在《Nature Energy》上發表。

穩定鈣鈦礦的高通量篩選

考慮到穩定的鈣鈦礦吸收體是穩定的PSCs的先決條件，本文首先利用本文的計算機系統篩選出160種鈣鈦礦組成的光熱穩定的鈣鈦礦。自動化平臺的原理圖如圖1a所示，可自動制備溶液、制備和表征薄膜。組成矩陣包括鈣鈦礦中常用的陽離子(即FA/甲基銨(MA)/Cs/RB/K)和鹵化物(即I/Br)，如圖1b所示。對于每個組合陽離子，Br與所有鹵化物的比例從0%到40%，對應的帶隙約為1.5 eV到1.8 eV。在圖1c中，成分代表了本文配方中沒有其他過量添加劑的標稱比例。這些薄膜是在充滿氮氣的手套箱中通過旋涂在玻璃基板上制備的。考慮到鈣鈦礦中溫度引起的穩定性逆轉，本文采用了接近操作的老化條件(65℃/一太陽光照)來執行所有的穩定性測試。

圖1|160種混合陽離子、混合鹵化物鈣鈦礦的穩定性分析。

金屬氧化物基器件中的不穩定性機制

根據ISOS-L-1，該器件表現出良好的光穩定性，在單日照下在MPP下運行800h后仍保持其初始效率的90%以上(圖2b)。然而，如圖2c所示，當老化溫度提高到60-65℃(ISOS-L-3)時，器件開始顯示出顯著的效率損失。效率損失主要是由FF的降低引起的，表現為退化后電流密度-電壓(J-V)曲線呈S形。對于其他基于過渡金屬氧化物的器件，例如Sb-SnO_x、NiO_x和MoO_x也觀察到FF的減少(圖2d)。另一方面，為了驗證本文的假設，本文測量了各種空穴傳輸材料在從25℃到85℃的老化溫度下在橫向和垂直結構中的電導(圖2e-h)。本文發現，在N₂中，Ta-WO_x、NiO_x和Sb-SnO_x等p型金屬氧化物在溫度從25℃升高到85℃時表現出瞬態電導(圖2f，h)。

圖2|基于Ta-WO_X的器件特性和電導分析。

雙層導電聚合物結構的工作機理及光伏性能

在基于PDCBT/PTAA BCF的器件中，滯后可以忽略不計（圖3b）。該裝置顯示出良好的熱穩定性，在環境空氣（30-45%相對濕度）（19.6%至18.7%）中在85℃老化500小時后保持其初始效率的95%以上（圖3c）。更重要的是，該設備在高溫（60–65℃）下也顯示出出色的運行穩定性（圖3d，e）。在模擬空氣質量1.5全局照明（AM 1.5 G）下，該器件的初始穩態效率約為20.9%，室溫（25-30℃）下的最大功率點V_MPP=0.94 V，對應于初始較低的PCE由于溫度效應，在高溫（60-65℃）下V_MPP=0.88 V時為19.1%（圖3f）。為了在不受光源的光譜或強度變化干擾的情況下量化器件穩定性，可通過參考硅太陽能電池進一步校準光強度。在校準后，老化的器件在統計上保持了幾乎99%±3%的初始效率和大約97%±3%的峰值效率。最好的器件穩定性如圖3g所示。J-V曲線中可以忽略的滯后也與老化試驗前后MPP的穩定輸出是一致的(圖3f)。

圖3|基于PDCBT/PTAA-BCF的鈣鈦礦太陽能電池的器件特性。

封裝對設備穩定性的影響

為了進一步提高器件的穩定性，本文在Au電極上額外沉積了一層200 nm厚的MgF₂蓋層(圖4a)。在室溫下，在模擬AM 1.5G照明下，器件的穩態效率約為20.5%(圖4b)，對應于在高溫(60-65℃)下最初較低的PCE為18.5%(圖4c，d)。在60-65℃的金屬鹵化物燈下老化1400 h后，老化器件在正向和反向電壓掃描中平均保持了100%以上的初始效率和99%以上的峰值效率(圖4c-e)。

圖4|帶保護層和不帶保護層的設備的穩定性測試。

【小結】

本文闡述了穩定的歐姆接觸對實現超穩定平面異質結PSCS的關鍵作用。一方面，載流子傳輸層在老化溫度升高時應具有穩定的電導，這是實現穩定歐姆接觸的基礎。另一方面，對于鈣鈦礦分解產生的微量蒸汽，它們在化學上應該是惰性的，并且應該有很強的緩沖作用來抑制電極斷裂。一種雙層導電聚合物結構由于其穩定的電導和緩沖效應的獨特性質被證明在平面PSCS中提供了如此健壯的歐姆接觸。通過優化光學管理和鈣鈦礦相關界面可以實現更高的轉換效率，如開發更厚的高質量鈣鈦礦層、寬禁帶無摻雜導電聚合物、與聚合物兼容的鈍化方法等。

鏈接：https://doi.org/10.1038/s41560-021-00953-z