鈣鈦礦再登Science

虛谷納物 7個月前 (12-27) 1702瀏覽

一、導讀

有機-無機雜化鈣鈦礦的帶隙可調性使其適合應用于單節點和多節點太陽能電池。基于鈣鈦礦的串聯太陽能電池大大提高了功率轉換效率(PCEs)。作為串聯器件的頂部子單元，寬帶隙(WBG)鈣鈦礦的作用是收集高能光子，貢獻高開路電壓(Voc)，并過濾到達底部的有害紫外線，從而使串聯堆棧穩定運行。WBG鈣鈦礦通常基于Br -I混合鹵化物，具有高的Br含量。原則上，添加更多Br應使鈣鈦礦吸收體更加穩定。然而，混合鹵化物的鈣鈦礦在工作條件下(暴露于光和熱)容易發生相分離，產生的大量Voc缺陷大大降低其運行穩定性，限制WBG鈣鈦礦太陽能電池(PSC)的PCEs。怎樣解決其穩定性問題是一重大挑戰。

二、成果掠影

近日，來自美國再生能源實驗室（NREL）化學與納米科學中心的資深科學家朱凱與童金輝研究研究員將快速Br結晶與溫和氣淬法相結合，制備了缺陷密度較低的具有較強織構的柱狀1.75電子伏Br - I混合WBG鈣鈦礦薄膜。通過這種方法，獲得了1.75 eV的WBG PSCs，其功率轉換效率大于20%，開路電壓約為1.33 V(Voc)，并且具有良好的運行穩定性(在65°C的1.2太陽下運行1100小時降解小于5%)。當進一步與1.25 eV窄帶隙PSC集成時，本工作進一步獲得了27.1%的高效全鈣鈦礦雙端串聯器件，具有2.2 V的高Voc。相關成果以“Compositional texture engineering for highly stable wide-bandgap perovskite solar cells”為題發表在最新一期國際頂刊Science上。

三、核心創新點

(1) 將快速Br結晶與溫和的氣淬方法相結合，制備強織構、缺陷密度低的Br-I混合WBG鈣鈦礦薄膜；

(2) 發明全鈣鈦礦雙端串聯器件，具有2.2伏特的高Voc；

 

四、數據概覽

圖1 氣淬法制備的1.75 ev WBG PSCs器件特性；(A)正向掃描和反向掃描下WBG PSC的J-V曲線。(B)確定帶隙的相應外部量子效率(EQE)；(C、D)不同溫度N2連續光照下設備長期運行穩定性；(C)一個單元在0.8太陽下25°C時效2560小時，然后在55°C時效890小時；(D)一個單元在1.2太陽下，65°C, 時效1100小時。? 2022 AAAS

圖2 WBG鈣鈦礦的結構性質；(A-C)采用(A)抗溶劑和[(B)和(C)]氣淬法制備FA0.6Cs0.3DMA0.1Pb(I0.7Br0.3)3鈣鈦礦薄膜的SEM俯視圖；(D，E)用(D)抗溶劑法和(E)氣淬法制備的WBG鈣鈦礦薄膜的截面SEM圖像；(F)抗溶劑法和氣淬法制備WBG鈣鈦礦薄膜的XRD譜圖；(G)共表面解理能的計算。? 2022 AAAS

圖3 瞬態吸收(TA)測量；(A-B)用抗溶劑[(A)-(C)]和氣淬[(B)-(D)]方法制備的WBG鈣鈦礦薄膜在不同泵浦后延遲時間下的TA結果和(C和D) TA光譜的偽彩色表示. ? 2022 AAAS

圖4 缺陷輔助擴散勢壘的光電特性及計算；(A)通過TRMC測量獲得的最低吸收泵注量的光電導(fSm)瞬態；(B)光電導率與激發強度的函數關系；(C)抗溶劑法和氣淬法制備鈣鈦礦膜PSCs的暗J-V曲線。(D-G)幾種常見缺陷的擴散能壘計算。? 2022 AAAS

圖5 串聯裝置；(A)采用氣淬基1.75 ev WBG PSC型鈣鈦礦串聯太陽能電池的J-V曲線。按金屬孔徑定義，該裝置面積為0.059 cm2；(B) MPP附近相應的SPO效率。窄帶隙底電池基于1.25 ev Sn-Pb鈣鈦礦(FA0.6MA0.4Sn0.6Pb0.4I3)；(C)在N2中~35°C下連續~0.8太陽光照下串聯裝置的長期穩定性。串聯裝置在1825小時后仍保持約81%的最高效率。? 2022 AAAS

 

五、成果啟示

本體和表面缺陷最小化的高質量WBG鈣鈦礦薄膜可以抑制設備中的Br-I相分離。這一中心思想指導了這項優異的工作，挖掘了高性能、全鈣鈦礦串聯器件的潛力，而且對于其他基于鈣鈦礦的串聯結構的開發也極具借鑒意義；

 

 

原文詳情：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf0194

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