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2022 Adv. Energy Mater.:增强钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性!等离激元光热调节应力策略

标题-等离子体局部加热引起的应变调制

第一作者:李凤珠/任广禹教授课题组

本文亮点

  • 通过在钙钛矿薄膜中引入垂直方向梯度分布的等离激元纳米结构,在光照状态下有效吸收近红外光子产生光热效应,用以释放钙钛矿薄膜内的非均匀应力,从而提升钙钛矿太阳能电池的稳定性以及光电转换效率。
  • 本工作制备的等离激元钙钛矿太阳能电池器件地光电转换效率达到23%,是已知等离激元增强钙钛矿太阳能电池的較高效率。
  • 器件在没有封装的状态下,在65±5 °C的氮气环境中连续光照2800小时(1000小时的周期性光照循环)依然可以保有原来84% (90%)的光电转换效率。
  • 本工作提供了一种高效且易实现的等离激元光热调节应力策略,可以同时增强钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性,对钙钛矿太阳能电池在真实环境中的应用有着重要参考价值。

研究动机

  有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池在过去十多年的发展中,光电转换效率已经得到极大地提升,然而钙钛矿材料结构的稳定性问题严重限制了其实际应用。比如,由于钙钛矿薄膜与相连基底的热膨胀系数不匹配,导致在退火过程中薄膜内会形成垂直方向的非均匀应力。这种薄膜制备过程中的残留应力会诱发钙钛矿的有机阳离子和卤化物阴离子在光照时加速迁移,显著缩短钙钛矿太阳能电池器件的工作寿命。本篇工作利用等离激元局域光热现象调控钙钛矿太阳能电池应力以提升效率和稳定性。

本文所用仪器

  • Solar simulator (Enlitech, SS-F5, Taiwan).
  • EnliTech (Taiwan) EQE measurement system(QE-R量子效率测量系统)

研究成果说明

  通过在钙钛矿薄膜中引入垂直方向梯度分布的等离激元纳米结构(较厚二氧化硅壳层包覆金纳米棒,近红外共振),在光照状态下有效吸收近红外光子产生光热效应,用以释放钙钛矿薄膜内的非均匀应力,从而提升钙钛矿太阳能电池的稳定性以及光电转换效率。有别传统的等离激元增强太阳能电池效率的方案(通常需要匹配等离激元共振与活性层的吸收谱以增强器件的光学吸收效率),该技术巧妙利用未被钙钛矿吸收的太阳光谱近红外波段进行等离激元局域加热以释放薄膜内的残留应力,进而有效提升等离激元太阳能电池的性能。本工作制备的等离激元钙钛矿太阳能电池器件地光电转换效率达到23%,是已知等离激元增强钙钛矿太阳能电池的較高效率。与此同时,器件在没有封装的状态下,在65±5 °C的氮气环境中连续光照2800小时(1000小时的周期性光照循环)依然可以保有原来84% (90%)的光电转换效率。本工作提供了一种高效且易实现的等离激元光热调节应力策略,可以同时增强钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性,对钙钛矿太阳能电池在真实环境中的应用有着重要参考价值。

采用 PI 表面钝化的冠军 GNR SiO2 PVK 器件的 J-V 曲线
在 N2 手套箱中 65 度连续照明下

通讯作者简介

任广禹教授(Alex K.-Y. Jen)现为香港城市大学李兆基讲座教授(材料科学),香港清洁能源研究院(HKICE)院长,欧洲科学院外籍院士和华盛顿州立科学院院士, 以及香港城市大学化学系与材料科学系的讲座教授。任教授团队专注于跨学科研究,范畴涵盖应用于光子学、能源、感应器及纳米医学等领域的功能材料和器件。任教授学术领域有突出的成就和极高的引用率,与其他学者合著了超过1000份出版物,並曾获邀600多次演讲,著作获引用超过75000次,其H指数达142,并且是六十余项专利及发明的共同发明人。任教授在2014-2021年期间均被湯姆森-路透评为「高被引用研究者」,亦于2015及2016年获评为「全球具影响力的科学头脑」。同时,任教授还是AAAS, MRS, ACS, PMSE, OSA, SPIE等多个专业科学学会院士。

本文关键词:钙钛矿太阳能电池、Perovskite Solar Cell、等离子、Plasmonic、光热、Photothermal、太阳光模拟器、Solar Simulator、Sun Simulator、量子效率、Quantum Efficiency

原文:https://doi.org/10.1002/aenm.202200186

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