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2023 Nano-Micro (IF:26.6)阳军亮團隊通过晶化和定向调制提高刮刀法钙钛矿太阳能电池效率

顶尖团队的选择

简介:
在太阳能技术不断发展的领域中,钙钛矿太阳能电池(PSCs)因其出色的光电特性而成为一个有前途的竞争者。然而,挑战在于开发可商业化的可扩展制造技术。在一项重大突破中,中南大学物理与电子学院副院长阳军亮教授所率领的研究团队引入了一种新型添加剂——甲胺盐酸盐(MACl),以调节两步序列刮刀法钙钛矿薄膜的晶化和定向。这种创新的方法极大地改善了钙钛矿薄膜的质量,使其具有令人瞩目的23.14%的转换效率(PCE)。

钙钛矿太阳能电池的潜力:
钙钛矿太阳能电池因其高吸收系数、长载流子扩散长度和低陷阱密度而成为密集研究的对象。这些特性使得PSCs的认证PCE达到25.7%。然而,大多数高效率的PSCs是通过实验室规模的旋涂沉积制备的。虽然这种方法在受控实验室环境中被证明是有效的,但对于工业应用而言,它不具备可扩展性。因此,发展可扩展的大面积制造技术对于PSCs的商业化至关重要。

可扩展性的挑战:
PSCs可扩展的两步序列沉积制造的电池的转换效率远远落后于最先进的旋涂法制备的电池。两步序列沉积工艺涉及有机盐与铅卤化物反应,绕过了钙钛矿薄膜在一步过程中不可控的成核过程。然而,中南大学物理与电子学院副院长阳军亮教授所率领的研究团队的研究重点就是解决这种性能差异。

甲胺盐酸盐(MACl)的作用:
该研究团队引入MACl以调节两步序列刮刀法钙钛矿薄膜的晶化和定向。MACl在改善钙钛矿薄膜质量方面起着关键作用。它增加了晶粒尺寸和结晶度,从而降低了陷阱密度并抑制了非辐射复合。非辐射复合是太阳能电池中的一个重要损耗机制,吸收光能转化为热能而不是电能。通过抑制非辐射复合,MACl显著提高了太阳能电池的效率。

此外,MACl促进了钙钛矿薄膜(100)面向上的优先定向。这种定向更有利于载流子的传输和收集,从而显著提高了填充因子。填充因子是太阳能电池的一个关键参数,代表电池的最大可获得功率,并指示电池的质量。填充因子越高,太阳能电池的效率越高。

令人印象深刻的结果:
引入MACl导致基于ITO/SnO2/FA1-xMAxPb(I1-yBry)3/Spiro-OMeTAD/Ag结构的PSCs取得了23.14%的最佳转换效率和优异的长期稳定性。该结构是PSCs的常见架构,其中ITO/SnO2是电子传输层,FA1-xMAxPb(I1-yBry)3是钙钛矿吸收层,Spiro-OMeTAD是空穴传输层,Ag是电极。该研究团队还分别实现了1.03 cm2的PSC和10.93 cm2的小型模块的卓越PCE,分别达到21.20%和17.54%。这些结果代表了大规模两步序列沉积高性能PSCs在实际应用中的重大进展。

研究的影响:
中南大学物理与电子学院副院长阳军亮教授所率领的研究团队的研究在钙钛矿太阳能电池的可扩展制造技术发展中迈出了重要一步。引入MACl来调节钙钛矿薄膜的晶化和定向被证明是一个改变游戏规则的举措,极大地改善了钙钛矿薄膜的质量,并显著提高了转换效率。

此外,该研究团队采用了Enlitech光焱科技的SS-X太阳光模拟器来测试太阳能电池的性能。SS-X模拟器采用氙气短弧灯作为宽带光源,具备A+级别的光谱模拟能力,并提供多种光斑面积选择,范围从50mm到220mm。该模拟器具有自主研发专利的自动变光强功能,精度高达1%。它还具备可变光谱功能,适用于测试叠层太阳能电池。使用先进的等离子沉积技术制造的AM1.5G滤光片确保光谱精度高,并具有长使用寿命。

SS-X模拟器的优越光谱等级使其比其他模拟器更适合表征各种新型太阳能电池,例如低带隙有机太阳能电池和钙钛矿/Si串联太阳能电池。SS-X模拟器能够提供稳定且连续的照射强度,避免由于被测试太阳能电池的响应时间较慢而引起的表征误差。

两步刮刀法制备的钙钛矿薄膜的表征。
a. 湿态原始钙钛矿薄膜的XRD图谱。
b. 热退火后的钙钛矿薄膜的XRD图谱。
c. 稳态光致发光(PL)发射光谱。
d. 时间分辨PL衰减曲线。

使用不同MACl比例制备的两步刮刀法钙钛矿薄膜的PSCs的光伏性能和光电特性。
a. 典型PSCs的J-V曲线和相应参数。
b. PSCs的Voc光强依赖关系。
c. PSCs的莫特-肖特基图谱。
d. 填充因子限制包括非辐射损耗(蓝色区域)和传输损耗(粉色区域)。
e. 钙钛矿薄膜的空间电荷限流(SCLC)测量。
f. EIS的Nyquist图谱。

Performance of OAI-modified PSCs and mini-module.
a. J-V曲线。
b. 在最大功率点(MPP)测量的稳定功率输出。
c. 在约30%相对湿度的环境条件下,未封装的OAI改性器件的长期稳定性测量。
d. 1.03 cm2 PSCs和10.93 cm2 mini-module的J-V曲线。插图为1.03 cm2 PSCs和10.93 cm2 mini-module的图片。

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