鈣鈦礦再發Nature!鈣鈦礦-有機疊層太陽能電池效率突破24.0%

材料人編輯小單 1年前 (2022-04-22) 2806瀏覽

1.【導讀】

多結太陽能電池（Multijunction solar cells），可以克服單結器件的基本效率限制。其中，金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池的帶隙可調性，使其在多結結構的應用中極具吸引力。目前，除了全鈣鈦礦疊層電池，將鈣鈦礦與硅及銅銦鎵硒化合物（CIGS）進行組合的器件也已有報道。同時，窄帶隙的非富勒烯受體快速提高了有機太陽能電池的效率。因此，有機與鈣鈦礦半導體是一個有吸引力的組合，他們也具有相似的加工技術。但是，鈣鈦礦-有機疊層電池的效率較低，并且受到寬帶隙鈣鈦礦電池的低開路電壓(Voc)和子電池間互連損耗的限制。

2.【成果掠影】

近日，德國伍珀塔爾大學K. O. Brinkmann和T. Riedl（共同通訊作者）等人，采用優化的電荷提取層以及通過ALD技術制備超薄的氧化銦（InOx）作為子電池的連接層，成功實現了鈣鈦礦-有機疊層太陽能電池24.0%的高轉化效率（認證效率為23.1%）和2.15 V的高開路電壓（Voc）。相關研究成果以“Perovskite-organic tandem solar cells with indium oxide interconnect”為題發表在Nature期刊上。

3.【核心創新點】

  1. 1. 采用優化的電荷提取層，實現了鈣鈦礦子電池的高開路電壓（Voc）與填充因子（FF），以及有機子電池在近紅外高的外部量子效率。
  2. 子電池通過超薄（~1.5 nm）氧化銦層連接，實現超低的光學/電學損耗。制備的鈣鈦礦-有機疊層太陽能電池實現了24.0%的轉化效率和2.15 V的高開路電壓，其性能優于目前最好的鈣鈦礦單結電池，并與全鈣鈦礦及鈣鈦礦-CIGS器件相當。

4.【數據概覽】

圖1. 有機子電池的組成結構與性能 ??2022 Springer Nature

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（a）單結有機太陽能電池的分層結構及光活性層所用分子的化學結構。

（b）二元（PM6:Y6）與三元（PM6:Y6:PC61BM）太陽能電池體系的外量子效率（EQE）。

（c）光活性層中給受體分子的吸收光譜。

（d）使用LED光源對二元與三元電池體系的轉換效率（PCE）進行測試，表征電池的長時間穩定性。

（e）疊層電池效率與有機/鈣鈦礦子電池帶隙之間的半經驗模型。

 

圖2. 優化后的寬帶隙鈣鈦礦子電池???2022 Springer Nature

（a）不同空穴提取層（如PTAA與MeO-2PACz）準費米能級的裂分。

（b）p-i-n鈣鈦礦單結的分層結構。

（c）堆疊層有無電子提取層（EEL）及不同退火溫度的鈣鈦礦太陽能電池開路電壓（Voc）的對比。下方為每種電池的填充因子（FF）對比。

（d）PTAA與MeO-2PACz分別作為空穴提取層的最優鈣鈦礦太陽能電池的電流密度與電壓之間的關系。

（e）本工作中具有寬帶隙（Eg=1.85 eV）、高Br含量（≥0.4）的鈣鈦礦太陽能電池與文獻報道工作的Voc及FF比較。

（f）白光LED最大功率點條件下測得的鈣鈦礦太陽能電池PCE隨時間的變化。

圖3. 疊層電池的串聯結構???2022 Springer Nature

（a）以InOx或Ag為連接層的鈣鈦礦-有機太陽能疊層電池示意圖。

（b）不同InOx連接層厚度的疊層電池的J-V特性曲線。

（c）SnOx/(InOx)/MoOx二極管的J-V特性曲線

（d）有無InOx層的能壘對比。

（e）薄片電阻及載流子密度與InOx層厚度的關系。

（f）InOx價帶態密度（DOS）的光電子能譜研究，32次ALD沉積后開始表現出金屬性質。

（g）純InOx層、SnOx/InOx/MoOx三明治結構層的光透過率。其中，InOx層經過32次ALD沉積，厚度約為1.5 nm。1nm的Ag層取代InOx層作為測試的對照組。

（h）以InOx或Ag為連接層的有機后電池EQE光譜表明，僅1 nm厚的Ag就能引起顯著的電流損耗。

圖4.鈣鈦礦-有機疊層電池的性能???2022 Springer Nature

（a）疊層電池中子電池的EQE光譜。

（b）?疊層電池的J-V特性曲線，內部為其PCE、FF、Voc、短路電流密度（Jsc）等測試結果。

（c）?疊層電池的穩定PCE結果，內部為電池的截面掃描圖。

（d）?48個疊層太陽能電池經認證的PCE統計數據。

（e與f）?疊層電池在連續最大功率點條件（e）及氮氣保存條件（f）下的穩定性測試。

5.【成果啟示】

對于目前鈣鈦礦-有機疊層電池的效率較低、寬帶隙鈣鈦礦電池的開路電壓（Voc）低以及子電池間互連損耗的問題，該工作在鈣鈦礦-有機太陽能疊層電池研究中具有重要的指導意義。一方面，寬帶隙鈣鈦礦和相鄰電荷提取層界面處損耗是低Voc的主要原因，因此，通過對鈣鈦礦表面進行改性，增強電荷的選擇性提取，將有效提高Voc。另一方面，串聯互連是構筑疊層太陽能電池的關鍵組成部分，電池所使用的連接層應具有高度可控的厚度，并且不會引起顯著的光學損耗。同時，本工作中使用的ALD沉積技術，可實現大面積、量化處理，對于其他類型的串聯疊層電池也具有適用性與指導意義。

本文由famous程供稿。

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