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2023 Nano-Micro 陽軍亮團隊通過晶化和定向調(diào)制提高鈣鈦礦太陽能電池效率

更新時間:2023-07-10      點擊次數(shù):1297



在太陽能技術(shù)不斷發(fā)展的領(lǐng)域中,鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)因其出色的光電特性而成為一個有前途的競爭者。然而,挑戰(zhàn)在于開發(fā)可商業(yè)化的可擴展制造技術(shù)。在一項重大突破中,中南大學(xué)物理與電子學(xué)院副院長陽軍亮教授所率領(lǐng)的研究團隊引入了一種新型添加劑——甲胺鹽酸鹽(MACl),以調(diào)節(jié)兩步序列刮刀法鈣鈦礦薄膜的晶化和定向。這種創(chuàng)新的方法極大地改善了鈣鈦礦薄膜的質(zhì)量,使其具有令人矚目的23.14%的轉(zhuǎn)換效率(PCE)。


鈣鈦礦太陽能電池的潛力:鈣鈦礦太陽能電池因其高吸收系數(shù)、長載流子擴散長度和低陷阱密度而成為密集研究的對象。這些特性使得PSCs的認證PCE達到25.7%。然而,大多數(shù)高效率的PSCs是通過實驗室規(guī)模的旋涂沉積制備的。雖然這種方法在受控實驗室環(huán)境中被證明是有效的,但對于工業(yè)應(yīng)用而言,它不具備可擴展性。因此,發(fā)展可擴展的大面積制造技術(shù)對于PSCs的商業(yè)化至關(guān)重要。


可擴展性的挑戰(zhàn):PSCs可擴展的兩步序列沉積制造的電池的轉(zhuǎn)換效率遠遠落后于的旋涂法制備的電池。兩步序列沉積工藝涉及有機鹽與鉛鹵化物反應(yīng),繞過了鈣鈦礦薄膜在一步過程中不可控的成核過程。然而,中南大學(xué)物理與電子學(xué)院副院長陽軍亮教授所率領(lǐng)的研究團隊的研究重點就是解決這種性能差異。


甲胺鹽酸鹽(MACl)的作用:該研究團隊引入MACl以調(diào)節(jié)兩步序列刮刀法鈣鈦礦薄膜的晶化和定向。MACl在改善鈣鈦礦薄膜質(zhì)量方面起著關(guān)鍵作用。它增加了晶粒尺寸和結(jié)晶度,從而降低了陷阱密度并抑制了非輻射復(fù)合。非輻射復(fù)合是太陽能電池中的一個重要損耗機制,吸收光能轉(zhuǎn)化為熱能而不是電能。通過抑制非輻射復(fù)合,MACl顯著提高了太陽能電池的效率。

此外,MACl促進了鈣鈦礦薄膜(100)面向上的優(yōu)先定向。這種定向更有利于載流子的傳輸和收集,從而顯著提高了填充因子。填充因子是太陽能電池的一個關(guān)鍵參數(shù),代表電池的最大可獲得功率,并指示電池的質(zhì)量。填充因子越高,太陽能電池的效率越高。


令人印象深刻的結(jié)果:引入MACl導(dǎo)致基于ITO/SnO2/FA1-xMAxPb(I1-yBry)3/Spiro-OMeTAD/Ag結(jié)構(gòu)的PSCs取得了23.14%的最佳轉(zhuǎn)換效率和優(yōu)異的長期穩(wěn)定性。該結(jié)構(gòu)是PSCs的常見架構(gòu),其中ITO/SnO2是電子傳輸層,F(xiàn)A1-xMAxPb(I1-yBry)3是鈣鈦礦吸收層,Spiro-OMeTAD是空穴傳輸層,Ag是電極。該研究團隊還分別實現(xiàn)了1.03 cm2的PSC和10.93 cm2的小型模塊的PCE,分別達到21.20%和17.54%。這些結(jié)果代表了大規(guī)模兩步序列沉積高性能PSCs在實際應(yīng)用中的重大進展。

研究的影響:中南大學(xué)物理與電子學(xué)院副院長陽軍亮教授所率領(lǐng)的研究團隊的研究在鈣鈦礦太陽能電池的可擴展制造技術(shù)發(fā)展中邁出了重要一步。引入MACl來調(diào)節(jié)鈣鈦礦薄膜的晶化和定向被證明是一個改變游戲規(guī)則的舉措,極大地改善了鈣鈦礦薄膜的質(zhì)量,并顯著提高了轉(zhuǎn)換效率。


此外,該研究團隊采用了Enlitech光焱科技的SS-X太陽光模擬器來測試太陽能電池的性能。SS-X模擬器采用氙氣短弧燈作為寬帶光源,具備A+級別的光譜模擬能力,并提供多種光斑面積選擇,范圍從50mm到220mm。該模擬器具有自動變光強功能,精度高達1%。它還具備可變光譜功能,適用于測試疊層太陽能電池。使用先進的等離子沉積技術(shù)制造的AM1.5G濾光片確保光譜精度高,并具有長使用壽命。


SS-X模擬器的*光譜等級使其比其他模擬器更適合表征各種新型太陽能電池,例如低帶隙有機太陽能電池和鈣鈦礦/Si串聯(lián)太陽能電池。SS-X模擬器能夠提供穩(wěn)定且連續(xù)的照射強度,避免由于被測試太陽能電池的響應(yīng)時間較慢而引起的表征誤差。



兩步刮刀法制備的鈣鈦礦薄膜的表征。

a. 濕態(tài)原始鈣鈦礦薄膜的XRD圖譜。b. 熱退火后的鈣鈦礦薄膜的XRD圖譜。c. 穩(wěn)態(tài)光致發(fā)光(PL)發(fā)射光譜。d. 時間分辨PL衰減曲線。

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使用不同MACl比例制備的兩步刮刀法鈣鈦礦薄膜的PSCs的光伏性能和光電特性。

a. 典型PSCs的J-V曲線和相應(yīng)參數(shù)。b. PSCs的Voc光強依賴關(guān)系。c. PSCs的莫特-肖特基圖譜。d. 填充因子限制包括非輻射損耗(藍色區(qū)域)和傳輸損耗(粉色區(qū)域)。e. 鈣鈦礦薄膜的空間電荷限流(SCLC)測量。f. EIS的Nyquist圖譜。

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Performance of OAI-modified PSCs and mini-module.

a. J-V曲線。b. 在最大功率點(MPP)測量的穩(wěn)定功率輸出。c. 在約30%相對濕度的環(huán)境條件下,未封裝的OAI改性器件的長期穩(wěn)定性測量。d. 1.03 cm2 PSCs和10.93 cm2 mini-module的J-V曲線。插圖為1.03 cm2 PSCs和10.93 cm2 mini-module的圖片。



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