前言

雙面鈣鈦礦太陽能電池 (Bi-PSCs) 因其可雙面吸光提高光利用效率而備受關注。真空沉積法制備的 Bi-PSCs 盡管具有高質量薄膜的優(yōu)勢，但仍需優(yōu)化透明電極和界面層以光電流收集，并平衡頂部和底部照射條件下的性能差異。

西班牙巴倫西亞大學 Henk J. Bolink 團隊在 2024 年發(fā)表于《ACS Energy Letters》(27st Aug.2024_ DOI： 10.1021/acsenergylett.4c01536)的研究中，利用真空沉積技術制備了高效穩(wěn)定的雙面鈣鈦礦太陽能電池 (Bi-PSCs)。通過優(yōu)化 ITO 和 LiF 層厚度及封裝方法，顯著提升了 Bi-PSCs 的 Jsc 和 PCE。研究發(fā)現，頂部照射下可獲得更高的 Jsc (最高達 24.98 mA/cm2)，突顯了該器件結構的優(yōu)勢。此外，該研究還探討了 Bi-PSCs 的熱穩(wěn)定性及封裝的影響。

導讀目錄

1.    前言

2.    研究目的

3.    研究方法

4.    器件與表征

5.    結論

研究目的

本研究旨在通過優(yōu)化雙面鈣鈦礦太陽能電池 (Bi-PSCs) 的結構和制備工藝，實現其性能，特別是提高短路電流密度 (Jsc) 和功率轉換效率 (PCE)。具體研究目標包括：

1. 確定 LiF 和 ITO 層的最佳厚度，以減少反射損失并增強光吸收效率，從而提高器件性能。

2. 比較頂部和底部電極在光線收集效率方面的差異，確定更有效利用光照的電極結構。

3. 研究封裝對 Bi-PSCs 性能的影響，特別是分析其在頂部和底部照射條件下的性能差異。

4. 通過熱穩(wěn)定性測試，評估 Bi-PSCs 在長期工作條件下的穩(wěn)定性和耐久性，為實際應用提供參考。

5. 最終，本研究將展示熱蒸發(fā)方法在制備微米級鈣鈦礦薄膜和高性能 Bi-PSCs 方面的有效性。

研究方法

1. 化學物質的采購： 研究所需化學物質包括 CS-9、TaTm、FAMAPI（由 PbI2、MAI 和 FAI 共蒸鍍而成）、C60、BCP 等。

2. 雙面真空沉積 Bi-PSCs 的制造： Bi-PSCs 的結構為 LiF/玻璃/底 ITO/CS-9/TaTm/FAMAPI/C60/BCP/ITO/Ag，其中 FAMAPI 層通過 PbI2、MAI 和 FAI 的共蒸鍍制備，并使用 QCM 傳感器監(jiān)控和手動調整蒸發(fā)速率。頂部 ITO 電極則采用脈沖激光沉積方法制備，以確保在電池堆疊上的柔和沉積。

器件與表征

器件制備：

• 真空沉積技術： 利用真空沉積技術制備 Bi-PSCs，并采用熱蒸發(fā)方法沉積鈣鈦礦薄膜，精確控制薄膜厚度。

• 脈沖激光沉積 (PLD)： 使用 PLD 方法沉積頂部 ITO 電極，以減少對器件的損傷。

• 材料選擇： 選用甲胺鎂鉛碘（FAMAPI）作為鈣鈦礦材料，因其具有較高的熱穩(wěn)定性和吸收范圍。

• 封裝： 使用商業(yè) UV 固化環(huán)氧樹脂封裝劑進行封裝，以保護器件免受環(huán)境影響。

表征方法：

• 結構表征：使用 X 射線衍射（XRD）分析 FAMAPI 層的晶體結構。

• 電性能表征：使用太陽能電池測試系統(tǒng)記錄 J-V 曲線，并使用太陽光模擬器進行照明。采用 Enlitech 的 QE-R 系統(tǒng)進行 EQE 測量，并校準太陽光譜失配。
       
       
       圖4說明：(a) Bi-PSC裝置結構示意圖：顯示了在使用蓋玻璃封裝后的裝置結構，包括各層材料及其厚度。(b) J-V曲線：顯示了在正向（實線）和反向（虛線）掃描下，裸露Bi-PSC在頂部和底部照射條件下的電流密度-電壓特性，以及在蓋玻璃封裝后的情況。(c) EQE光譜：對應于不同裝置的外部量子效率光譜，顯示了在不同波長下的光電轉換效率。(d) Jsc值的統(tǒng)計圖：顯示了不同裝置的短路電流密度（Jsc）值的統(tǒng)計數據，黑色實線表示各子集的平均值。

為評估真空沉積器件的熱穩(wěn)定性，超級基底 PSCs 和 Bi-PSCs 在 85°C 氮氣氣氛下進行了 600 小時熱壓力測試。結果表明，兩種器件均保持了 80% 以上的初始效率。值得注意的是，Bi-PSCs 的 Jsc 在測試期間持續(xù)增加，而超級基底器件的 Jsc 則呈下降趨勢。兩種器件的 FF 均有所下降，與之前報道的真空沉積 PSCs 的結果一致。

• 光學表征和模擬：使用分光計測量吸收和透射光譜，并使用 Enlitech 的 QE-R 系統(tǒng)進行反射率測量。采用基于轉移矩陣方法的吸收率和 1-R 模擬，通過自建代碼和 tmm 包執(zhí)行。

  
       
       
       圖 1d 對比了 Bi-PSC 在頂部和底部照射下的反射率損失，表明頂部照射在 480-780 nm 范圍內具有更低的反射率，從而帶來更高的 FAMAPI 層光吸收率。模擬結果顯示，頂部照射下的最高模擬 Jsc 比底部照射高約 1 mA/cm2，因此 Bi-PSC 在頂部照射下有望獲得更高的 Jsc。
       
       在進行反射率測量之前需要校準系統(tǒng)，對太陽光譜不匹配進行修正。使用校準的硅參考電池來確保測量結果的準確性。這些步驟對于獲得準確的反射率值非常重要，從而評估太陽能電池的光學性能和光電轉換效率。Enlitech的QE-R系統(tǒng)在太陽能電池的研究和開發(fā)中扮演著關鍵角色，提供了必要的光學參數測量。

• 熱穩(wěn)定性測試：在熱板上對 Bi-PSCs 進行熱壓力測試，以評估其長期穩(wěn)定性和耐久性，并記錄其在 85℃ 下的性能穩(wěn)定性。

• 形貌表征：使用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察薄膜的表面形態(tài)和截面結構。

結論

1. 展示通過真空沉積技術制備的雙面鈣鈦礦太陽能電池（Bi-PSCs），這些電池具有優(yōu)化的鈣鈦礦層厚度，特別是使用甲胺鎂鉛碘（FAMAPI）組成。

2. 在頂部照射條件下，Bi-PSCs的短路電流密度（Jsc）高于底部照射條件，且最佳Bi-PSC在頂部照射條件下的功率轉換效率（PCE）達到了19.6%，在底部照射條件下為18.71%，這導致了約0.95的雙面性因子。

   
        
        

3. 通過使用模擬1-Sun光作為主要照射和白色LED光作為反射（后方）照射的雙面照射條件下，Bi-PSC展示了不同的Jsc值，這取決于反射光的強度。

4. 即使在頂部電極上封裝了蓋玻璃，Bi-PSC在頂部照射條件下的Jsc仍然高于底部照射。

5. 熱穩(wěn)定性測試顯示，Bi-PSCs和超級基底太陽能電池（superstrate PSCs）在85℃的熱板上持續(xù)超過600小時后，仍能保持超過80%的初始PCE。

6. 研究發(fā)現，在熱壓力測試下，Bi-PSCs和superstrate PSCs中的PbI2相的量會增加，這可能影響到太陽能電池的穩(wěn)定性和性能。

這項研究展示了熱蒸發(fā)方法在制備微米級鈣鈦礦薄膜，用于雙面鈣鈦礦太陽能電池（Bi-PSCs）應用方面的有效性，以及頂部電極在主要AM 1.5 G單面照射條件下產生非常高的短路電流密度（Jsc）值方面的顯著效果。

文獻參考自ACS Energy Letters 27st Aug.2024_ DOI： 10.1021/acsenergylett.4c01536

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