强强联手最新Nature:超26%效率!钙钛矿电池

更新时间:2023-12-19      点击次数:444

研究背景】

钙钛矿太阳能电池是一种具有高效率、稳定性和可扩展性的太阳能电池。然而,由于A位阳离子的分离,导致了组成不均匀的问题,可能对电池的光电性能产生不利影响。在过去的研究中,研究人员尝试使用Cs阳离子来改善钙钛矿太阳能电池的性能,但是Cs阳离子的分离问题引发了人们对电池稳定性的担忧。

关键问题】

Cs阳离子在过氧化物薄膜中分离会存在以下几个问题:

1.分布不均匀:Cs阳离子倾向于在包晶体薄膜底部聚集和分离,导致阳离子在整个薄膜中分布不均。

2.成分不均匀性:Cs阳离子的分离会导致包晶体薄膜内从贫铯到富铯的梯度相分布,从而影响太阳能电池的整体成分和性能。

3.晶格失配:Cs和其他阳离子(如甲脒)之间的尺寸差异会造成晶格失配,导致平面外晶格畸变,进一步加剧了包晶体薄膜的不均匀性。

4.稳定性问题:Cs阳离子的分离可能会加速含铯包晶石的长期降解并降低其稳定性,这对包晶石太阳能电池的长期性能和耐用性是一个重大问题。

总之,Cs阳离子在包晶体薄膜中的分离会导致成分不均匀、晶格畸变和稳定性问题,从而对包晶体太阳能电池的性能和可靠性产生负面影响。

新思路】

近日,中国科学院合肥物质科学院固体物理研究所、中国科学院光伏与节能材料重点实验室潘旭研究员、叶加久博士,韩国成均馆大学Nam-Gyu Park,华北电力大学戴松元教授等人研究了钙钛矿薄膜沿垂直方向的面外成分不均匀性,并确定了根本原因和对器件的潜在影响。他们使用 1-(苯基磺酰基)吡咯 (PSP) 来均匀化钙钛矿薄膜中的阳离子成分,由此产生的p-i-n器件获得了25.2%稳态PCE和持久稳定性。           ****

技术优势】

通过调整面外阳离子来实现太阳能电池钙钛矿成分的均质化,通过控制钙钛矿结构中阳离子的排列,可以提高钙钛矿太阳能电池的性能和稳定性。这种方法可以有效减少钙钛矿材料中的相分离现象,并提高光电转换效率。此外,该研究还通过实验验证了这种方法的可行性,并提出了加速商业化的前景。

研究内容】

面外阳离子不均匀性

经研究钙钛矿薄膜中甲脒和Cs阳离子之间存在空间垂直相偏析,薄膜内阳离子的分布显着影响钙钛矿太阳能电池的性能,并且作者还可视化了由阳离子不均匀性引起的相分布和结构变化。据观察,Cs阳离子倾向于积聚在钙钛矿薄膜的底部,从而形成富Cs相,这种阳离子不均匀性会导致薄膜内的晶格应变和失配。作者通过使用一种名为 1-(苯磺酰基)吡咯 (PSP) 的添加剂来抑制阳离子偏析并改善晶格排列,经过 PSP 处理的薄膜表现出更好的面外晶格排列并降低了晶格应力。因此,阳离子不均匀性的起源可能与晶体结构的变化有关。总的来说,解决钙钛矿薄膜中面外阳离子的不均匀性对于提高器件性能的具有很大的作用。

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本研究采用Enlitech SS-F5-3A产品进行量测。

阳离子不均匀性的起源

这部分作者主要讨论的是钙钛矿薄膜中阳离子不均匀性的起源。作者通过引入PSP的有机分子解决了钙钛矿内阳离子不均匀性的问题,特别是对于含 FA-Cs 的钙钛矿。PSP 的添加导致钙钛矿薄膜内的阳离子分布均匀。作者通过观察ToF-SIMS和深度相关 X 射线光电子能谱 (XPS) 的结果,发现这这些结果提供了钙钛矿薄膜内面外阳离子不均匀性的证据,PSP分子在薄膜底部的积累。总的来说, PSP 的加入有助于减轻钙钛矿薄膜中的阳离子不均匀性。

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图2 揭示 FA-Cs 相分离的起源

光电特性

作者进行了各种实验来评估 PSP 处理对钙钛矿薄膜性能的影响。他们首先分析了经过和未经 PSP 处理的钙钛矿薄膜的PL光谱。结果表明,与未处理的薄膜相比,经过 PSP 处理的薄膜表现出更强的PL强度。TR-PL 测量表明,PSP 处理导致钙钛矿薄膜中载流子寿命更长,这说明载流子复合动力学得到改善。

为了进一步了解 PSP 处理对钙钛矿薄膜的影响,作者进行了DFT计算,计算表明,PSP 处理降低了钙钛矿薄膜中各种类型缺陷的形成能,薄膜质量得到改善。此外,作者还研究了钙钛矿薄膜内的能带排列,他们从深度剖面紫外光电子能谱中提取了导带最小值(CBM)、价带最大值(VBM)和费米能级(EF)的值。分析表明,PSP 处理产生了更有利的能带排列,这可以增强钙钛矿薄膜中的电荷传输和提取。

总体而言,光电表征表明,PSP 处理改善了钙钛矿薄膜的光学和电子性能,从而提高了钙钛矿太阳能电池的性能。

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图3 光电特性

设备性能

与器件性能相关的内容讨论了钙钛矿太阳能电池的制造和评估。这些器件采用不同的配置制造,例如 p-i-n 和 n-i-p。制造过程涉及各个层的沉积,包括 C60、BCP、Ag、SnO2 和空穴传输材料 (HTM)。这些器件在功率转换效率 (PCE)、外部 LED 量子效率 (EQEEL) 和可靠性方面的性能进行了评估。

结果表明,与参考器件相比,用 1-(苯磺酰基)吡咯 (PSP) 作为添加剂处理的器件表现出更好的性能。器件的 PCE 为 26.1%(经认证的反向 PCE 为 25.8%,经认证的稳态 PCE 为 25.2%)。该器件还表现出增强的 FF 和改进的载流子提取。经过 2,500 小时的连续跟踪后,未封装的 PSP 处理器件保留了 92% 的初始 PCE,而参考器件在相同条件下下降至 80% 左右。湿热可靠性测试也证明了经过 PSP 处理的器件的性能。

总体而言,该内容强调了器件制造技术以及使用 PSP 等添加剂在提高钙钛矿太阳能电池性能和可靠性方面的重要性。

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图4 设备性能稳定

总结展望】

总的来说,中国科学院合肥物质科学院固体物理研究所、中国科学院光伏与节能材料重点实验室潘旭研究员、叶加久博士、韩国成均馆大学Nam-Gyu Park、华北电力大学戴松元教授等人可视化了钙钛矿薄膜沿垂直方向的空间不均匀相分布,并提出器件性能受到面外成分不均匀性的限制。此外,还发现 A 位组分之间的不平衡结晶和相变过程对 FA-Cs 相分离有显着影响。作者通过采用 1(苯磺酰基)吡咯 (PSP) 作为添加剂来延缓 FAC 钙钛矿的阳离子偏析行为。经过 PSP 处理的 p-i-n 结构器件产生了 26.1% 的 PCE(经认证的反向 PCE 为 25.8%,经认证的稳态 PCE 为 25.2%)。


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