研究成就與看點
本研究成功開發(fā)了一種名為「定制二維鈣鈦礦層」(TTDL) 的新型界面層,應(yīng)用于廣帶隙 (WBG) 鈣鈦礦太陽能電池 (PSC),有效提升了組件性能,特別是在平方公分規(guī)模的電池上。
TTDL由 F-PEA 和 CF3-PA 混合而成,其中 F-PEA 形成二維鈣鈦礦,降低接觸損耗并提升均勻性,而 CF3-PA 則增強電荷提取和傳輸。
藉由 TTDL 的引入,研究團隊實現(xiàn)了 1.77-eV WBG PSC 在平方公分規(guī)模下高達 1.35 V 的開路電壓和 20.5% 的效率。
將此 WBG PSC 與窄帶隙 (NBG) 鈣鈦礦子電池堆棧,研究團隊制造出 1.05 平方公分的全鈣鈦礦串聯(lián)電池,效率高達 28.5%(認證效率為 28.2%),創(chuàng)下目前所有報導中的最高紀錄。
本研究突出了處理頂部鈣鈦礦/電子傳輸層 (ETL) 接觸面對于提升鈣鈦礦太陽能電池規(guī)模化的重要性。
研究團隊
作者:這篇關(guān)于全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池的文章是由一個大型國際研究團隊共同撰寫的,主要通訊作者包括:
譚海仁 (Hairen Tan):來自中國南京大學
Samuel D. Stranks:來自英國劍橋大學
Lijun Zhang:來自中國吉林大學
第二部分:研究背景
近年來,窄帶隙和寬帶隙(分別簡稱NBG和WBG)鈣鈦礦材料的進展促進了串聯(lián)器件的發(fā)展,包括小面積(約0.1 cm2有效面積)的全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池,其最佳認證功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)超過28%。1 然而,有效面積≥1 cm2的全鈣鈦礦串聯(lián)器件的認證PCE僅為26.4%。 WBG鈣鈦礦太陽能電池仍有很大的改進空間,特別是對于大面積器件。
第三部分:解決方案與實驗過程
解決方案
本研究發(fā)現(xiàn) C60 的沉積不僅會在界面處引入高密度的缺陷,還會導致鈣鈦礦表面靜電勢不均勻,從而導致器件性能不均勻。為了解決這個問題,研究團隊提出了一種創(chuàng)新的方法,即在界面處引入 F-PEA 和 CF3-PA 的混合物,形成「定制二維鈣鈦礦層」(TTDL)。
F-PEA 會在表面形成二維鈣鈦礦,減少接觸損耗并提高均勻性。
CF3-PA 則增強電荷提取和傳輸。
實驗過程與步驟
材料制備:
本研究中使用的所有材料均為市售產(chǎn)品,未經(jīng)進一步純化。
研究人員根據(jù)文獻中提供的配方,制備了廣帶隙 (WBG) 和窄帶隙 (NBG) 鈣鈦礦前驅(qū)體溶液。
F-PEACl 和 CF3-PACl 分子分別溶解于異丙醇 (IPA) 中,制備成濃縮溶液,再用 IPA 稀釋至所需濃度。
EDAI2 分子也溶解于 IPA 中,制備成所需濃度的溶液。
2. 組件制備:
在 ITO 玻璃基板上依次沉積 NiOx、SAM 和鈣鈦礦層。
鈣鈦礦層采用兩步旋涂法沉積,并使用茴香醚作為反溶劑。
將插入層溶液滴加到沉積的鈣鈦礦薄膜上,旋涂后進行退火處理。
然后通過熱蒸發(fā)依次沉積 C60、SnO2 和 Cu,形成 WBG PSC。
對于串聯(lián)電池,先制備 WBG 子電池,然后在 WBG 子電池上通過熱蒸發(fā)沉積 Au 簇層、旋涂 PEDOT: PSS 層,再沉積 NBG 鈣鈦礦層。
最后通過熱蒸發(fā)沉積 C60 和 Au,形成完整的串聯(lián)電池。
3. 制備過程中發(fā)現(xiàn):
使用茴香醚作為反溶劑,可以改善 WBG 鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶度和均勻性。
引入 CF3-PA 會破壞二維鈣鈦礦的生長。
F-PEA 和 CF3-PA 陽離子會優(yōu)先聚集在鈣鈦礦薄膜的表面。
第四部分:研究成果表征
本研究采用了多種表征手段來分析 TTDL 的形成機制和功能,以及 TTDL 對 WBG PSC 和全鈣鈦礦串聯(lián)電池性能的影響。
l 太陽能電池的J-V特性測量: 文獻中提到,使用光焱科技的太陽光模擬器在 100 mW cm-2 的光強度下測量單結(jié)和串聯(lián)太陽能電池的電流密度-電壓 (J-V) 特性。
圖 3b:展示了 1.05 cm2 控制組、F-PEA、CF3-PA 和 TTDL WBG 太陽能電池的 J-V 曲線。從圖中可以清楚地看到 TTDL 器件在開路電壓 (VOC) 和填充因子 (FF) 上的提升。
圖 3d: 展示了 TTDL WBG 太陽能電池 (有效面積 1.05 cm2) 的 J-V 曲線,并標示了正向和反向掃描的結(jié)果。
l 圖 4b: 展示了 26 個最佳性能串聯(lián)器件的 J-V 曲線,并包含正向和反向掃描的結(jié)果,顯示器件幾乎沒有遲滯現(xiàn)象。
· 光致發(fā)光 (PL):
團隊利用 PL來研究 WBG 鈣鈦礦薄膜的均勻性和 C60 沉積對薄膜表面的影響。通過比較沉積 C60 前后薄膜的 PL 強度分布,作者發(fā)現(xiàn) C60 的沉積會導致薄膜表面缺陷密度的增加和靜電勢的不均勻分布,進而影響器件性能的均勻性。
圖 1a: 展示了沉積 C60 前后,玻璃/ITO/NiO/SAM/鈣鈦礦薄膜的 PL 顯微鏡圖像和直方圖。從圖中可以清楚地看到,沉積 C60 后,PL 強度下降,且 PL 強度分布的標準偏差 (σ) 增加,表明 C60 的沉積導致了薄膜表面缺陷密度的增加和靜電勢的不均勻分布。
圖 1b: 展示了不同插入層對玻璃/ITO/NiO/SAM/鈣鈦礦/插入層/C60 薄膜堆棧結(jié)構(gòu)的 PL 映像圖像的影響。通過比較不同插入層的 PL 圖像,可以直觀地觀察到 TTDL 處理后的薄膜具有最高的 PL 強度和最佳的均勻性。
圖 1e: 展示了沉積 C60 前后,玻璃/ITO/NiO/SAM/鈣鈦礦/TTDL 薄膜的 PL 顯微鏡圖像和直方圖。與圖 1a 的結(jié)果相比,使用 TTDL 后,沉積 C60 后的 PL 強度分布標準偏差 (σ) 幾乎沒有變化,表明 TTDL 能有效抑制 C60 沉積對薄膜均勻性的影響。
補充圖 7 和 8: 提供了更多不同區(qū)域的 PL 顯微鏡圖像和直方圖,進一步左證了 C60 沉積對薄膜均勻性的影響,以及 TTDL 在抑制這種影響方面的效果。
EL-EQE: 本研究使用 EL-EQE 系統(tǒng)測量了 WBG 和 NBG 單結(jié)器件以及串聯(lián)器件中子電池的 EL-EQE,并計算出相應(yīng)的 QFLSEL。
JSC、EQE 的分析
圖 1c 展示了具有不同插入層的 1.05 平方公分 WBG PSC 的 EQE 光譜。TTDL 鈣鈦礦表現(xiàn)出最高的 JSC (18.4 mA/cm2)。
圖 3a 比較了在相同批次中制備的控制組、F-PEA、CF3-PA 和 TTDL WBG 太陽能電池(1.05 平方公分,每種類型 15 個器件)的光伏性能。TTDL 器件的平均 PCE 為 18.8 ± 0.7%,平均 Voc 為 1.33 V。
圖 3b 展示了最佳 1.05 平方公分控制組、F-PEA、CF3-PA 和 TTDL WBG 太陽能電池的 J-V 曲線。
圖 3d 和 3e 分別展示了最佳 TTDL WBG 太陽能電池(有效面積 1.05 平方公分)的 J-V 曲線和 EQE 光譜。最佳 TTDL 器件在反向掃描下表現(xiàn)出 20.4% 的 PCE (Voc = 1.35 V,Jsc = 18.4 mA/cm2,FF = 82.1%)。EQE 光譜的積分 JSC 值為 18.6 mA/cm2,與 J-V 特性吻合良好。
表 1 列出了最佳鈣鈦礦太陽能電池(有效面積 1.05 平方公分)的光伏參數(shù)。
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其他表征
掠入射廣角X射線散射 (GIWAXS): 圖 2a 展示了控制組、F-PEA 和 TTDL 鈣鈦礦薄膜的 GIWAXS 圖譜。結(jié)果顯示,與 F-PEA 薄膜相比,TTDL 薄膜中二維鈣鈦礦的衍射峰減弱,表明 CF3-PA 的引入會破壞二維鈣鈦礦的生長。
X射線光電子能譜 (XPS): 研究人員利用 XPS 分析了處理過的鈣鈦礦表面。在 686.6 eV 和 687.4eV 處的 F1S 信號分別表明 F-PEA 和 CF3-PA 存在于鈣鈦礦樣品中。
深度剖析掃描電子顯微鏡 (SEM): 圖 4a 展示了全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池的橫截面 SEM 圖像。
光譜密度泛函理論 (DFT) 計算: 研究人員進行了第一性原理計算,以研究 CF3-PA 對 F-PEA 基二維鈣鈦礦結(jié)構(gòu)和電子特性的影響。他們發(fā)現(xiàn) CF3-PA 的引入會導致二維鈣鈦礦中 CBM 向下移動。此外,計算出的缺陷形成能表明,基于 F-PEA 的二維鈣鈦礦在抑制界面缺陷形成方面發(fā)揮著重要作用。
圖 2e 展示了計算得到的 F-PEA 基二維鈣鈦礦和 TTDL 部分區(qū)域中可能的分子排列的電子波函數(shù)分布,即在 CBM 以上 0.3 eV 能量范圍內(nèi)積分的局部電荷密度。
圖 2f 和 2g 分別顯示了具有不同點缺陷的 3D 鈣鈦礦/C60 和 2D 鈣鈦礦/C60 界面的計算態(tài)密度 (DOS) 和 C60 的吸附能。
第五部分:研究成果
本研究成功開發(fā)了一種名為「定制二維鈣鈦礦層」(TTDL) 的新型界面層,應(yīng)用于廣帶隙 (WBG) 鈣鈦礦太陽能電池 (PSC),有效提升了組件性能,特別是在平方公分規(guī)模的電池上 。通過在 WBG 鈣鈦礦和 C60 電子傳輸層之間引入 TTDL,研究團隊成功地解決了 C60 沉積導致的界面缺陷和靜電勢不均勻問題,從而顯著提高了 WBG PSC 的效率和均勻性。
TTDL 的主要研究成果如下:
顯著提高了 WBG PSC 的性能: 藉由 TTDL 的引入,1.77-eV WBG PSC 在平方公分規(guī)模下實現(xiàn)了 1.35 V 的高開路電壓和 20.5% 的效率。與未經(jīng)處理的控制組器件相比,TTDL 器件的平均 PCE 提高了 1.7%,平均 Voc 提高了 40 mV 。
提升了 WBG PSC 的均勻性: TTDL 中的 F-PEA 可以形成二維鈣鈦礦,有效地鈍化了鈣鈦礦/C60 界面,減少了缺陷密度,并改善了界面處的靜電勢分布。 PL 顯微鏡圖像顯示,TTDL 器件的 PL 強度分布更加均勻,標準偏差從控制組樣品的 5.2% 降低到 3.4%。
增強了電荷提取和傳輸: TTDL 中的 CF3-PA 可以降低二維鈣鈦礦的導帶最小值 (CBM),改善了鈣鈦礦和 C60 之間的能級匹配,從而增強了電荷提取和傳輸。 瞬態(tài)光致發(fā)光 (TRPL) 研究表明,與控制組器件相比,TTDL 器件的載流子壽命更長,表明界面電荷復(fù)合得到了抑制。
實現(xiàn)了高效的全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池: 將 TTDL WBG PSC 與 1.25-eV NBG PSC 堆棧,研究團隊制造出 1.05 平方公分的全鈣鈦礦串聯(lián)電池,效率高達 28.5%(認證效率為 28.2%),創(chuàng)下目前所有報導中的最高紀錄。
本研究的主要貢獻在于開發(fā)了一種簡單有效的界面工程策略,可以顯著提高 WBG PSC 的性能和均勻性,為大規(guī)模制造高效穩(wěn)定的全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池提供了新的思路。
文獻參考自NATURE_DOI: 10.1038/s41586-024-08158-6
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