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富勒烯衍生物助力高開路電壓錫基鈣鈦礦太陽能電池

 
上??萍即髮W(xué)寧志軍課題組今年在非鉛鈣鈦礦太陽能電池領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。該課題組前期采用低維錫基鈣鈦礦結(jié)構(gòu)和納米梯度結(jié)構(gòu)制備了高效太陽能電池,在近期的研究中將錫基鈣鈦礦太陽能電池開路電壓提高到0.94 V,12.4%的光電轉(zhuǎn)化效率,是目前已知的穩(wěn)態(tài)輸出效率較高的非鉛鈣鈦礦太陽能電池。

太陽能電池是一項(xiàng)清潔可再生能源利用技術(shù),基于鈣鈦礦的單節(jié)和疊層電池是目前廣泛認(rèn)可的高效低成本新型太陽能電池。但是目前的鈣鈦礦太陽能電池大多是具有環(huán)境污染性的可溶性重金屬鉛材料體系,尤其在可穿戴器件以及室內(nèi)和建筑物等人口密集的場所中的應(yīng)用時環(huán)境污染現(xiàn)象尤為突出,因此具有環(huán)境友好型的非鉛鈣鈦礦太陽能電池成為了目前的熱門研究方向。

錫基鈣鈦礦具有高吸光系數(shù)、高載流子遷移率和理想的帶隙等優(yōu)異性能,具備和鉛鈣鈦礦相似的電子結(jié)構(gòu)以及相媲美的半導(dǎo)體性質(zhì)。但根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,錫基鈣鈦礦太陽能電池的開路電壓和光電轉(zhuǎn)換效率較低,目前已知的性能好的錫鈣鈦礦太陽能電池開路電壓在0.6 V左右、光電轉(zhuǎn)化效率在10%左右,均遠(yuǎn)低于鉛鈣鈦礦太陽能電池。而這主要由以下三個因素造成:
  1. 錫鈣鈦礦較低的空位形成能導(dǎo)致較多缺陷
  2. 二價(jià)錫容易被氧化成四價(jià)錫造成結(jié)構(gòu)畸變
  3. 錫器件的電子傳輸層能級和錫鈣鈦礦較淺的能級不匹配
為了解決上述問題,寧志軍課題組前期引入低維錫鈣鈦礦來制備錫鈣鈦礦太陽能電池,有效提高了鈣鈦礦的本征穩(wěn)定性。同時,有機(jī)分子包裹鈣鈦礦有效抑制了鈣鈦礦和氧氣的接觸,提高了鈣鈦礦的抗氧化能力,從而進(jìn)一步將錫鈣鈦礦太陽能電池實(shí)現(xiàn)了5.9%的光電轉(zhuǎn)化效率。在上述基礎(chǔ)上,課題組進(jìn)一步利用NH4SCN調(diào)控錫鈣鈦礦的結(jié)晶動力學(xué)過程,終形成2D-準(zhǔn)2D-3D梯度結(jié)構(gòu)的錫鈣鈦礦薄膜,該薄膜具有高抗氧化性、低薄膜缺陷濃度、高載流子傳輸速率等優(yōu)異性能,可實(shí)現(xiàn)9.4%的光電轉(zhuǎn)化效率。
在本文工作中,作者提出了全新的研究思路,從器件結(jié)構(gòu)的角度出發(fā),在低維錫基鈣鈦礦結(jié)構(gòu)和反式太陽能電池結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)利用較淺LUMO軌道能級的富勒烯衍生物ICBA作為電子傳輸層材料,取代常用的富勒烯衍射物PCBM,提高了光照條件下的準(zhǔn)費(fèi)米能級位置,實(shí)現(xiàn)了錫鈣鈦礦和電子傳輸層之間的能級匹配。同時ICBA抑制了碘離子長程摻雜帶來的電子傳輸層載流子濃度提高,降低了界面的載流子復(fù)合,實(shí)現(xiàn)了0.94 V的開路電壓和12.4%能量轉(zhuǎn)換效率(圖1)。通過課題組的工作表明,錫鈣鈦礦的P型摻雜所帶來的界面復(fù)合是影響器件開路電壓的重要因素,因此,可以通過合理的界面設(shè)計(jì),提高錫鈣鈦礦太陽能電池性能。


圖1(a)錫基鈣鈦礦電池的能及結(jié)構(gòu)示意圖;(b)AM1.5G光照下基于不同電子傳輸層的器件J-V曲線圖



圖2 (a)錫鈣鈦礦與電子傳輸層之間的界面電勢SKPM掃描圖;(b)錫鈣鈦礦和電子傳輸層之間的界面非輻射復(fù)合示意圖。
 
近幾年來,寧志軍課題組通過在材料和器件兩個方面的研究,大幅度提高了錫鈣鈦礦太陽能電池效率,低維錫鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的引入也對錫鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展起到了重要的推動作用,因此,錫鈣鈦礦太陽能電池在近年也成為了研究熱點(diǎn),是環(huán)境友好非鉛鈣鈦礦太陽能電池中效率最高和最有前景的一種。

文章信息

這一成果以“Ultra-high open-circuit voltage of tin perovskite solar cells via an electron transporting layer design”為題發(fā)表在Nature Communications上,該論文的第一作者為上??萍即髮W(xué)博士生姜顯園和王飛,通訊作者為上??萍即髮W(xué)寧志軍教授,蘇州納米所陳立桅研究員和陳棋副研究員為共同作者。

文章鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-020-15078-2

本研究采用的是北京卓立漢光儀器有限公司 “ SCS100” 太陽能電池量子效率測試系統(tǒng),如需了解該產(chǎn)品,歡迎咨詢我司。

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