港城市Alex Jen团队反式钙钛矿太阳能电池缺陷钝化策略:从材料到器件模块化

更新时间:2024-07-02      点击次数:161

港城市Alex Jen团队反式钙钛矿太阳能电池缺陷钝化策略:从材料到器件模块化


反式钙钛矿太阳能电池(PSCs)其p-i-n结构)是一种特殊结构的钙钛矿太阳能电池,其结构通常包含以下几层:基底:通常为导电玻璃,如FTOITO; 电子传输层(ETL),常用材料如二氧化钛(TiO2)或PCBM,作用是传输电子; 钙钛矿活性层,光吸收和电子-空穴对生成的主要区域,通过优化钙钛矿材料,可以提高电池的效率; 空穴传输层(HTL;顶电极:通常为金属,如金或银,用于收集电流。
因其低滞后效应、成本效益和适合串联应用等优势而备受关注。然而,钙钛矿材料的溶液制备过程和较低的形成能使得在钙钛矿层体相和界面处不可避免地形成大量缺陷。这些缺陷会作为非辐射复合中心,严重阻碍载流子传输,对器件的稳定性和功率转换效率(PCE)提升构成巨大障碍。本文将深入探讨缺陷的本质和起源,以及缺陷识别技术,并系统总结反式 PSCs 中钙钛矿薄膜界面和体相缺陷的检测方法和钝化策略,最后展望缺陷钝化工程在钙钛矿模块化制备中的应用前景。


【缺陷的本质与起源】

钙钛矿材料中的缺陷主要包括点缺陷、晶界缺陷和界面缺陷。

l点缺陷:主要包括空位缺陷、间隙缺陷和反位缺陷。例如,甲胺铅碘(MAPbI3)中的碘空位(VI)和铅空位(VPb)会导致材料的能带结构发生变化,从而降低器件的性能。

l晶界缺陷:是指不同晶粒之间的界面,通常存在较高的缺陷密度,例如晶界处的空位、间隙和反位缺陷。这些缺陷会导致载流子在晶界处发生复合,降低器件的效率。

l界面缺陷:是指钙钛矿层与其他层(如电子传输层、空穴传输层)之间的界面,也存在较高的缺陷密度,例如界面处的空位、间隙和原子错配。这些缺陷会导致电荷在界面处发生复合,降低器件的效率和稳定性。

钙钛矿材料缺陷的形成主要与以下因素有关:

l材料本身的性质: 钙钛矿材料本身的化学性质和晶体结构决定了其缺陷形成的可能性。

l制备工艺: 溶液制备过程中,溶剂、温度、反应时间等因素都会影响钙钛矿薄膜的质量,从而影响缺陷的形成。

l器件结构: 器件结构的设计,例如电子传输层和空穴传输层的选择,也会影响钙钛矿层的缺陷密度。


【缺陷钝化策略】

l界面钝化

界面钝化是指通过引入钝化剂来修饰钙钛矿层与其他层之间的界面,减少界面缺陷密度,提高电荷传输效率。

i.  有机分子钝化: 例如使用PEA或甲胺(MA)等有机分子,这些分子可以与钙钛矿层的表面形成强配位键,填补缺陷,降低非辐射复合。

ii.无机分子钝化: 例如使用卤化物(如碘化物、溴化物)或氧化物(如氧化铝、氧化钛)等无机分子,这些分子可以与钙钛矿层的表面形成化学键,降低缺陷密度。

l   体相钝化

体相钝化是指通过引入钝化剂来修饰钙钛矿层的体相,降低体相缺陷密度,提高材料的稳定性。

i.  卤化物掺杂: 例如使用碘化铯 (CsI) 或溴化铯 (CsBr) 等卤化物进行掺杂,可以降低钙钛矿层的缺陷密度,提高器件的稳定性和效率。

ii. 有机阳离子掺杂: 例如使用PEA 或甲胺 (MA) 等有机阳离子进行掺杂,可以提高钙钛矿层的结晶质量,降低缺陷密度。


缺陷钝化工程在钙钛矿模块化制备中的应用前景

l 规模化制备面临的挑战

钙钛矿太阳能电池模块化制备面临以下挑战:

  i.  缺陷控制: 大面积器件的制备更加容易引入缺陷,因此需要更有效的缺陷钝化策略。

 ii. 工艺稳定性: 大面积器件制备过程中需要保证工艺的稳定性,确保器件性能的均一性。

iii. 材料成本: 需要降低材料成本,以降低模块化的制造成本。

l   缺陷钝化工程的应用

缺陷钝化工程可以有效解决上述挑战,例如:

i.   使用原位钝化策略: 原位钝化可以简化制备流程,提高缺陷钝化的效率,更适合大面积制备。

ii. 开发低成本钝化材料: 研究人员正在开发低成本的钝化材料,例如有机分子、无机纳米材料和聚合物等,以降低模块化的制造成本。

iii. 采用可扩展的制备技术: 采用可扩展的制备技术,例如卷对卷印刷、刮刀涂布等,可以实现大面积器件的快速制造。


总结与展望

本文概述了反式 PSCs 中钙钛矿薄膜的缺陷本质、起源和表征技术,并总结了界面和体相缺陷的钝化策略。 缺陷钝化工程是提高反式 PSCs 效率和稳定性的关键,其在钙钛矿模块化制备中具有巨大的应用潜力。

研究团队: 该研究由香港城市大学 Alex Jen 任广禹教授团队完成。

任广禹教授是香港城市大学李兆基讲座教授,同时也是化学与材料科学系讲座教授。他曾于2016年至2020年间担任城大教务长。任教授在中国台湾国立清华大学获得学士和博士学位,并在美国宾州大学进行研究。在加入城大之前,他曾在华盛顿大学担任波音-Johnson讲座教授和材料科学与工程系系主任,并被任命为清洁能源研究所科学家。

任教授发表了超过1000篇论文,引用次数超过87,000次,H指数为151。他的研究涵盖光子学、能源、传感器和纳米医学领域。他是欧洲科学院和华盛顿州科学院院士,也是多个专业协会的会员。2018年,他被评为钙钛矿太阳能电池研究领域研究人员之一,并连续被评为具影响力的科学思想家和高被引科学家。

2021年,任教授获得城大的杰出研究奖",并被任命为中国教育部长江学者特聘教授、浙江大学杰出讲座教授等。他创办了五家新创公司,展示了强大的技术转移能力,并创立了城大清洁能源研究所和华盛顿大学先进能源材料研究所(i-AME)。

Alex Jen团队主要研究方向:

l 有机及有机-无机混合材料:开发用于光电子学、电子学和光子学的材料。

l 太阳能电池:专注于钙钛矿太阳能电池的研发,以提高其效率和稳定性。

l 传感器和生物医学设备:利用先进材料制造高灵敏度的传感器和用于生物医学的设备。

l 光电组件:设计和合成新型材料以改善光电转换效率。

l 能源材料:研究能量存储和转换材料,包括电池和燃料电池。

l 材料科学中的动态成像:利用高时空分辨率扫描电子显微镜进行多模态动态成像研究。



本研究参数图

港城市Alex Jen团队反式钙钛矿太阳能电池缺陷钝化策略:从材料到器件模块化

Fig 3.  


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Fig 4.


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Fig 7.

 

港城市Alex Jen团队反式钙钛矿太阳能电池缺陷钝化策略:从材料到器件模块化

Fig 8.




LQ-100X_PL_ 光致发光及发光量子产率测试系统


港城市Alex Jen团队反式钙钛矿太阳能电池缺陷钝化策略:从材料到器件模块化

以下几点优势,可应对材料测试面临的挑战:

       l 以紧凑的设计,尺寸大小 502.4mm(L) x 322.5mm(W) x 352mm(H),搭配4吋外径PTFE材质的积分球,并且整合NIST追溯的校准,让手套箱整合PL与PLQY成为可能。

l利用先进的仪表控制程序,可以进行原位时间PL光谱解析,并且可产生2D3D图表,说明使用者可以更快地表征材料在原位时间的变化。

l系统光学设计可容易的做红外扩展,波长由700-1100nm, 可展延至1700nm。粉末、溶液、薄膜样品都可相容测试。



文献参考自 ADVANCED ENERGY MATERIALS  DIO:10.1002/aenm.202401414

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