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中国全钙钛矿串联太阳能电池发展里程碑:25.3%转换1000小时不衰减

推荐仪器:REPS _ 钙钛矿与有机光伏Voc损耗分析系统太阳光模拟器QE-R 量子效率测量系统

推荐软件:KA6000 钙钛矿太阳能电池 IV 测量和分析软件

本文关键词: 高效柔性全钙钛矿串联太阳能电池、 PCE、 organic solar cells (OSCs) 、量子效率、Quantum Efficiency

原文: https://www.nature.com/articles/s41467-023-37492-y

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        全钙钛矿串联太阳能电池常用的上基板结构(先沉积頂部电池,再沉积底部电池)在长期稳定性方面存在缺陷,因为容易暴露在空气中的窄能带隙钙钛矿最后组装并容易被氧化,南京大学知名学者潭海仁教授与北京大学、吉林大学、加拿大维多利亚大学等多名学者所组成的研究团队,尝试改变基板结构的处理顺序,研制出一种先沉积后次电池,再沉积頂部电池的新型态基板结构全钙钛矿太阳能串连电池,将容易氧化的窄能带隙钙钛矿深埋在器件堆栈中,并在宽能带隙钙钛矿次电池中使用四氟硼酸铵添加剂,由此种基板结构所制成的全钙钛矿太阳能电池在未封装处于干燥空气中,达成了维持1000小时25.3%转换效率,不仅如此,此种基板结构提供了更大的柔性基板选择空间,采用铜涂覆的聚对苯二甲酸乙二酯和铜金属箔上分别实现了24.1%和20.3%的高效柔性全钙钛矿串联太阳能电池。潭教授等人研究团所研究出之新式基板结构,为全钙钛矿串联太阳能电池商用潜力,铺下了一条康庄大道。

        现今单片全钙钛矿串联太阳能电池认证效率可达创纪录的26.4%,但是容易氧化衰退的特性,仍是目前商业化的关键瓶颈,虽然可透过封装方式减少降解,但在模块处理过程中,仍然有机会氧化或漏气等因素发生。另对于柔性全钙钛矿串联太阳能电,需要高透明度条件的聚合物基板,大幅限制了选择性且增加不少柔性设备的成本,所以为柔性设备提供高耐氧化及低成本的基板结构,视为发展的一大重点项目。现今全钙钛矿串联通常采用覆盖结构方式所制,WBG正面子电池先沉积在透明导电基板(刚性或柔性)上,然后才是隧道复合结(TRJ)、NBG背面子电池和金属背面电极等,此方式可使阳光穿过透明基板在一次被頂、後部子电池吸收,是现今一种低成本的制程方式。但此种制成却将对氧化更敏感的混合铅锡(Pb-Sn)制NBG钙钛矿暴露在外,导致此种工法所制的器件有先天上的稳定性缺陷,NBG 钙钛矿中的  Sn2+ 在氧气存在的情况下被氧化成微小尺度的 Sn4+ ,导致高陷阱密度和短扩散长度,导致器件性能退化,虽然可以透过涂上一薄层通过原子层沉积 (ALD) 制成的金属氧化物(例如 SnO 2 )进行保护,但效果有限,Sn2+ 的氧化仍然是全钙钛矿串联太阳能电池长期稳定性的主要挑战。

       本文中所创新设计的基板配置,先将容易氧化的NBG背面子电池沉积埋入串联器件的底部,利用TRJ与頂部子电池为NBG形成封装保护,防止氧气趁透至混合的Pb-Sn钙钛矿吸收层中。也因为此种配置方式,不需要基板为透明基板,进而扩大基板的选择范围,可以进阶选择柔性聚合物、不锈钢、金属箔等不透明且耐高温的基板,大幅降低柔性全钙钛矿串联太阳能模块成本,透过光焱科技Enlitech热销的SS-X100(AAA等级)太阳光模拟器以及光焱广为人知的QE-R高精度QE量测系统,精准量测出PCE 为 25.3% 的刚性全钙钛矿串联太阳能电池。且在未封装情况下表现出令人印象深刻的氧气耐受性,在干燥空气中可存放超过 1000 小时后仍能保持其初始性能,在环境条件下以功率点运行 600 小时后,封装设备保持其初始性能的 100%,还能搭配金属涂层聚合物基板和金属箔上制造高效的柔性全钙钛矿串联太阳能电池。

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