光焱科技 胜焱电子科技 Enlitech
Previous slide
Next slide
Tell us more, we’ll
Enlighten Your Ideas!

(快讯)Nature: 中国科学院&华北电力大学携手Nam-Gyu Park提出通过离子均质化实现近26%效率与高稳定性的钙钛矿太阳能电池

重点摘要

本篇研究由 SKKU Nam-Gyu Park 、中国科学院 Xu Pan & Jiajiu Ye 、华北电力大学 Songyuan Dai 等人发表。

  • 钙钛矿太阳能电池加入铯离子(FA1-xCsxPbI3)具有前景,但组成不均匀是个问题。
  • 研究人员可视化钙钛矿薄膜中的垂直离子组成变化。
  • 此乃铯离子在晶粒边界与晶粒间发生分离之故。
  • 他们使用1-(苯磺酰)吡咯(PSP)使离子分布均质化。
  • 使用离子均质化薄膜制成的太阳电能池效率提升至25.2%(也有达到26.1%),稳定性也增强。

背景

钙钛矿太阳能电池因其高效率、高稳定性与可扩增性而备受关注。但研究发现A位铯离子的分离会使钙钛矿薄膜组成不均匀,影响电池性能。铯离子分离的问题包括:1) 分布不均,铯离子易聚集在薄膜底部;2) 组成不均匀,形成铯离子由少至多的梯度分布;3) 因大小差异造成晶格失配与扭曲;4) 稳定性降低。这些问题都会负面影响电池性能与可靠度。

近期研究可视化钙钛矿薄膜在垂直方向的组成不均匀性,找出成因与对元件的影响。研究人员使用1-(苯磺酰)吡咯使离子分布均质化。这策略克服了离子分离造成的组成变化,达成更高效率与稳定性。本研究提供优化钙钛矿薄膜的新见解,促进钙钛矿太阳能电池的发展。

结果

研究发现钙钛矿薄膜中的甲铵基与铯离子发生垂直相分离,显著影响电池性能。研究人员观察到铯离子倾向聚集在薄膜底部,形成铯离子丰富相,导致晶格应力与失配。使用1-(苯磺酰)吡咯(PSP)抑制离子分离、改善晶格排列,PSP处理后的薄膜展现较好的面外排列及减少晶格应力。因此,离子不均匀性的起源可能与结构变化有关。解决面外离子不均匀性对提升装置性能非常重要。

引入PSP有机分子可抑制甲铵基-铯相分离,使钙钛矿中的离子分布均匀。ToF-SIMS与XPS结果支持薄膜中存在面外离子不均匀性,PSP分子聚集在薄膜底部。PSP可减轻钙钛矿的离子不均匀性。

评估结果显示PSP处理可增强PL强度、延长载流子寿命、改善载流子重组动力学。计算指出PSP处理可降低缺陷形成能量、增强薄膜品质。分析也显示PSP产生较佳的频带结构。综上,PSP改善了钙钛矿的光电性质。

使用PSP处理的钙钛矿太阳能电池展现优良性能。冠军装置达成26.1%效率(认证反向效率25.8%,认证稳态效率25.2%),Fill factor与载流子萃取皆有增强。经过2500小时测试,没封装的PSP处理装置保持92%初始效率,参考装置降至约80%。相对湿度可靠度测试也显示PSP处理装置的卓越表现。

因此,PSP可有效抑制离子分离、改善钙钛矿太阳能电池性能。本研究系统性地揭露钙钛矿薄膜中的离子分布不均匀性问题,并成功利用PSP有机分子控制面外离子分布,显著提升装置性能与可靠度。此策略提供优化钙钛矿太阳能电池性能的新见解。

方法

  • 制作与可视化FA1-xCsxPbI3钙钛矿薄膜中的垂直不均匀性
  • 加入1-(苯磺酰)吡咯(PSP)作为添加剂
  • 以PL、TRPL、ToF-SIMS、XPS、UV-vis表征薄膜
  • 利用DFT计算缺陷与频带结构
  • 制作与测试p-i-n与n-i-p太阳能电池

结论

FA1-xCsxPbI3钙钛矿太阳能电池提供高效率与稳定性,但受制于A位离子分离导致的有害不均匀性。可视化薄膜中的垂直组成变化揭露原因与影响。加入PSP使离子均质化,实现稳定的p-i-n装置25.2%认证稳态功率转换效率。利用PSP面外离子均质化提供克服组成问题、实现高效稳定钙钛矿太阳能电池的可行策略。

关键词: solar cell, PCE, PCE

原文连结

推荐阅读

溶液处理的 n 型导电聚合物

Loading

发表回复