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《Nature(IF>69.504)》譚海仁團隊最新研究-鈣鈦礦界面結構優化,疊層太陽電池效率28.5%

重点摘要

  1. 研究团队在铅锡混合钙钛矿/电子传输层界面引入双层钙钛矿异质结,有效抑制了界面复合损失,提高了电荷提取效率。
  2. 通过在铅锡混合钙钛矿顶部沉积一层铅卤化物宽禁带钙钛矿形成双层异质结,混合钙钛矿太阳能电池的效率提高到23.8%。
  3. 在混合钙钛矿子电池中应用双层异质结结构,全钙钛矿叠层太阳能电池实现了28.5%的记录效率。封装的叠层电池经过600小时光照后,效率仍保持在90%以上。

研究背景

全钙钛矿叠层太阳能电池具有利用光谱范围广、热损耗低的优点,被视为下一代光伏技术的有力候选。但是先前报道的铅锡混合钙钛矿底层电池存在开路电压和填充因子不足的问题,主要是钙钛矿与电子传输层之间的界面发生严重的非辐射复合造成的。构建混合2D/3D异质结是目前研究最多的抑制界面复合的方法,但2D层会增加电阻,影响电荷传输。

研究成果

南京大学谭海仁团队在铅锡混合钙钛矿/电子传输层界面引入了II型能带结构的3D/3D双层钙钛矿异质结。先在混合钙钛矿表面沉积一层铅卤化物宽禁带钙钛矿,再通过溶液处理转化为钙钛矿,形成双层异质结。这种结构有利于电荷提取,混合钙钛矿太阳能电池的开路电压和填充因子显著提高,效率达到23.8%。

在混合钙钛矿子电池中应用双层异质结,全钙钛矿叠层太阳能电池达到28.5%的记录效率。封装后的叠层电池在连续600小时光照条件下,效率仍能保持在90%以上。这主要是因为双层异质结抑制了界面复合,提高了电荷转移速率。

研究方法

  1. 利用溶液处理和蒸发方法,在混合钙钛矿表面覆盖铅卤化物钙钛矿薄层,形成双层异质结。
  2. 通过扫描电镜、X射线衍射等手段表征双层异质结的形貌和结构。
  3. 测量并比较带异质结和不带异质结的混合钙钛矿太阳能电池的光伏参数。
  4. 采用稳态和时间分辨光致发光、超快瞬态吸收等方法研究异质结的载流子动力学。
  5. 在混合钙钛矿子电池中引入双层异质结,制作全钙钛矿叠层太阳能电池。测试并优化子电池的参数,实现高效率。
  6. 对叠层太阳能电池进行封装,测试其在光照条件下的稳定性。

结论

本研究在混合钙钛矿太阳能电池的界面引入3D/3D双层异质结,有效抑制了界面复合,获得了23.8%的高效率混合钙钛矿单电池。这种双层异质结结构应用于全钙钛矿叠层电池,进一步提升了效率至28.5%,表现出良好的稳定性。该成果为钙钛矿太阳能电池的界面设计和高效叠层电池的开发提供了新思路。

图14 | 控制组和PHJ铅锡钙钛矿薄膜的ToF-SIMS三维映射图。重构后抑制背景的三维映射图,显示控制组(a)和PHJ组(b)中Pb2+和Sn2+离子的分布。

图18 | 控制组和PHJ铅锡钙钛矿薄膜的ToF-SIMS三维映射图。重构后抑制背景的三维映射图,显示控制组(a)、PHJ组(b)以及储存于手套箱60天的PHJ薄膜(c)中I-和Br-离子的分布。初级离子束的扫描面积为100 μm×100 μm,且为清晰起见将厚度轴放大。

图22 | 铅锡钙钛矿太阳能电池的光伏性能。控制组和PHJ铅锡窄带隙钙钛矿太阳能电池以及添加1%和2% Br的控制组器件的光伏性能。

图24 | 控制组和PHJ厚度为1200 nm的吸收层器件的J-V曲线。控制BCP: 采用C60/BCP作为电子传输层的控制铅锡钙钛矿太阳能电池;控制ALD-SnO2: 采用C60/ALD-SnO2作为电子传输层的控制铅锡钙钛矿太阳能电池;PHJ BCP: 采用C60/BCP作为电子传输层的PHJ铅锡钙钛矿太阳能电池;PHJ ALD-SnO2: 采用C60/ALD-SnO2作为电子传输层的异质结铅锡钙钛矿太阳能电池。(详细参数见补充表5)。

图31 | 控制组和PHJ铅锡钙钛矿器件的暗J-V曲线。

图37 | 宽禁带钙钛矿太阳能电池的光伏性能。a, 62个器件中的光伏参数统计。b-c, 性能最佳的宽禁带器件的J-V、EQE和总吸收度(1-R)曲线。

图38 | 宽禁带、窄禁带亚电池和叠层太阳能电池的光伏性能。a,带原VNPB和修改SAM的NiO空穴传输层的宽禁带钙钛矿太阳能电池的J-V曲线。b,控制组和PHJ窄禁带钙钛矿太阳能电池的J-V曲线。c-d,不同亚电池叠层太阳能电池的J-V和EQE曲线。从EQE光谱中获得的宽禁带和窄禁带亚电池的积分Jsc值显示不同叠层太阳能电池之间具有良好匹配的电流密度(光伏性能参数见补充表13)。

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