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内容

ACS Materials Lett. _ 国立台湾大学与美方学术机构 UC Berkeley 及美国国家实验室 LANL 合作超低能量损失的准二维钙钛矿太阳能电池

Enlitech-顶尖团队评分!

摘要

准二维钙钛矿结构因其高效率和稳定性,在钙钛矿太阳能电池 (PSCs) 的发展中展现出巨大的潜力。然而,大面积准二维 PSCs 的制备仍然面临着挑战,例如如何在放大过程中保持均匀的晶体取向。为了克服这一难题,美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的 Wanyi Nie、Hsinhan Tsai 和 Leeyih Wang 等研究人员在 ACS Materials Letters 期刊上发表了一项研究成果,引入了一种硫烯基聚电解质作为空穴传输层 (HTL),以促进高性能大面积准二维钙钛矿太阳能电池的制备。

研究背景与核心概念

  • 近年来,PSCs 因其高效率、低成本和可印刷性等优势,成为最有希望取代传统硅基太阳能电池的下一代光伏技术。为了进一步提高 PSCs 的效率和稳定性,研究人员一直在探索各种策略,其中準二维钙钛矿结构因其优异的性能而备受关注。 
  • 準二维鈣鈦礦結構在降低非辐射复合和抑制离子迁移方面展现出独特的优势,从而提高了器件的效率和稳定性。然而,大面积準二维 PSCs 的製備仍然面臨著挑戰,例如如何保持均匀的晶体取向。

研究方法与主要发现

该研究团队选择碲 (Te) 和硒 (Se) 合金作为探测器材料,因为 Te-Se 合金具有一维晶体结构和较小的弹性模量,使其在弯曲时不易断裂。他们采用热蒸发法制备了 Te0.7Se0.3 薄膜,并通过改变退火温度优化薄膜的结晶性和载流子浓度。 

为了表征 Te0.7Se0.3 薄膜的性能,研究人员使用了扫描电子显微镜 (SEM)X 射线衍射 (XRD)、霍尔效应测量系统等多种手段。随后,他们制备了基于 Te0.7Se0.3 薄膜的柔性光电探测器,并对其光谱响应、响应时间、线性动态范围、比探测率和弯曲稳定性等性能进行了测试

近几年针对优化 HTL 研究进展所发表的论文推荐 

  • 2023_Science_Damp heat-stable perovskite solar cells with tailored-dimensionality 2D/3D heterojunctions_KAUST Stefaan De Wolf 
  • 2023_Advanced Energy Materials_Orientation Engineering via 2D Seeding for Stable 24.83% Efficiency Perovskite Solar Cells_ Shaanxi Normal University Shengzhong (Frank) Liu 
  • 2022_Nature Photonics_Quantum-size-tuned heterostructures enable efficient and stable inverted perovskite solar cells_ University of Toronto Edward H. Sargent 
  • 2017_Science_A generic interface to reduce the efficiency-stability-cost gap of perovskite solar cells_ FAU Christoph J. Brabec, University of Oxford Henry J. Snaith, NUS Yi Hou 

研究结果与讨论

研究人员发现,P3HTCA HTL 具有以下优势: 

提高器件效率: P3HTCA HTL 具有良好的能级匹配和电荷传输性能,可以有效地提取空穴,并降低非辐射复合。该研究中,基于 P3HTCA 的器件的开路电压 (Voc) 达到 1.24 V,接近 Shockley-Queisser 理论极限 (Voc = 1.34 V),表明 P3HTCA 抑制了非辐射复合,提高了器件的效率。 

提升器件稳定性: P3HTCA HTL 表现出优异的稳定性,可以有效地抑制水分和氧气的渗透,从而提高 PSCs 的长期稳定性。 该研究中,器件在模拟 AM1.5G 太阳光照射下,在 60% 的相对湿度环境中,在最大功率点 (MPP) 工作 1000 小时后,仍能保持 80% 以上的初始效率。 

研究人员利用一系列表征手段,包括 X 射线衍射 (XRD)、原子力显微镜 (AFM)、紫外-可见吸收光谱 (UV-Vis)、时间分辨光致发光光谱 (TRPL)X 射线光电子能谱 (XPS) 等,对 P3HTCA PSCs 的性能进行了分析。结果表明,P3HTCA 可以有效地改善钙钛矿薄膜的结晶质量,减少缺陷,并优化器件的能量级结构,从而提高器件的效率和稳定性。

结论与展望

该研究提出了一种新的策略,利用硫烯基聚電解質 (P3HTCA) 作为 HTL,成功制备了高效率和高稳定性的準二维 PSCs。该研究结果表明,P3HTCA 能够有效地控制钙钛矿晶体的生长方向,并优化器件的界面结构,从而提高器件的性能和稳定性。 

这项研究为大面积、高效率準二维 PSCs 的制备提供了新的思路,也为 PSCs 的产业化应用开辟了新的道路。未来,可以通过进一步优化 P3HTCA 的结构和性质,以及结合其他界面工程策略,进一步提升 PSCs 的性能,推动其在光伏领域的应用。

FigS10

Fig. S10_ 展示了在自组装 PHTCA PEDOT:PSS HTLs 上生长的 2D 钙钛矿薄膜的稳态 PL 光谱。 
重要性: 通过比较不同 HTLs 上钙钛矿薄膜的 PL 强度,可以评估 PHTCA 对钙钛矿薄膜光致发光特性的影响,进一步了解其对非辐射复合的影响。

FigS11

Fig.S11_展示了自组装 PHTCA HTL 器件在不同偏置电压下工作作为 LED EL 光谱。 

重要性: 展示了 PHTCA 器件作为 LED 的发光特性,以及其在不同电压下的发光光谱变化。

FigS12

Fig.S12_展示了 PEDOT:PSS HTL 器件在不同偏置电压下工作作为 LED EL 光谱。 

重要性: 与 PHTCA 器件进行比较,进一步评估了 PHTCA 的性能优势。

FigS14

Fig.S14_展示了自组装 PHTCA PEDOT:PSS 樣品的 (a) 穩態 PL 光譜和 (b) TRPL重要性: 通过比较不同 HTLs 上钙钛矿薄膜的 PL 强度和寿命,可以评估 PHTCA 对钙钛矿薄膜光致发光特性的影响,进一步了解其对非辐射复合的影响。

FigTS1

原文出处

Reference 

ACS MATERIALS LETT. 2023_ HTTPS://DOI.ORG/10.1021/ACSMATERIALSLETT.2C01104 

https://doi.org/10.1021/ACSMATERIALSLETT.2C01104 

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