固體所在高效率鈣鈦礦太陽(yáng)電池研究方面提出新思路

發(fā)布日期：2022-03-03 瀏覽次數(shù)：1175

近期，中科院合肥研究院固體所能源材料與器件制造研究部潘旭研究員團(tuán)隊(duì)與中科大肖正國(guó)教授課題組合作在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池方向取得新進(jìn)展。研究人員制備了理想帶隙為1.33 eV的鉛錫混合鈣鈦礦作為太陽(yáng)能電池吸收層，通過(guò)定向錨定策略(STA)對(duì)鈣鈦礦空位缺陷進(jìn)行精確鈍化處理，獲得了22.51%的光電轉(zhuǎn)化效率(PCE)記錄，有望超越傳統(tǒng)鉛基鈣鈦礦太陽(yáng)電池。相關(guān)成果以 “Selective Targeting Anchor Strategy Afford Efficient and Stable Ideal Bandgap Perovskite Solar Cells” 為題發(fā)表在Advanced Materials (Adv. Mater., 2022, DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202110241)上。

目前，有機(jī)金屬鹵化物鈣鈦礦太陽(yáng)能電池(PSCs)已經(jīng)取得了巨大突破，其最高光電轉(zhuǎn)換效率提高到25.8%(認(rèn)證為25.7%)。而傳統(tǒng)的鉛基鈣鈦礦材料的禁帶寬度在1.5 ~ 1.7 eV范圍內(nèi)，根據(jù)Shockley-Queisser (S-Q)模型，當(dāng)吸收層帶隙為1.33 eV時(shí)，電池具有最高的理論極限效率。采用Sn部分取代或全部取代Pb可以降低鈣鈦礦帶隙，當(dāng)Sn比例為20%時(shí)，帶隙能降至理想值1.33 eV左右。但20% Sn含量是鈣鈦礦帶隙變化的臨界值，其中存在大量的缺陷，導(dǎo)致非輻射復(fù)合造成嚴(yán)重的開(kāi)路電壓損失(VOC loss)。根據(jù)以往的研究，造成開(kāi)路電壓損失的具體原因主要有兩個(gè)：(1) Sn2+易氧化成Sn4+引起嚴(yán)重的自p摻雜，形成Sn空位并引入額外的p型電荷；(2) Sn與有機(jī)組分的反應(yīng)強(qiáng)于Pb，使得結(jié)晶過(guò)程過(guò)快和不受控，導(dǎo)致薄膜質(zhì)量較差，缺陷密度增加。

基于此，研究人員通過(guò)定向選擇錨定策略對(duì)鈣鈦礦進(jìn)行鈍化處理，獲得了理想帶隙鈣鈦礦太陽(yáng)能電池22.51%的光電轉(zhuǎn)化效率記錄。研究結(jié)果表明，鉛錫混合鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中雙金屬的缺陷是導(dǎo)致其性能退化的主要原因，因此研究人員采用2-苯乙胺氫碘酸鹽 (PEAI)和乙二胺氫碘酸鹽 (EDAI)作為共修飾劑對(duì)鈣鈦礦進(jìn)行表面處理，分別選擇性錨定與Pb和Sn相關(guān)的活性位點(diǎn)并對(duì)兩種金屬缺陷進(jìn)行鈍化。最終鉛錫混合鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓(VOC)從0.79 V大幅提高到0.90 V，開(kāi)路電壓的損失降低到0.43 V。此外，器件表現(xiàn)出了極佳的穩(wěn)定性，在氮?dú)馐痔紫渲写鎯?chǔ)2700小時(shí)后，仍可以保持初始效率的80%。該工作為鉛錫鈣鈦礦太陽(yáng)能電池管理金屬雙源缺陷提供了一個(gè)有效的鈍化機(jī)制。

碩士研究生梁政、博士研究生徐慧芬為該論文的共同第一作者，潘旭研究員、肖正國(guó)教授、葉加久博士為論文的通訊作者。該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、安徽省杰出青年基金等項(xiàng)目的資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202110241。

圖1. (a) 不同鈣鈦礦組分的S-Q極限效率和VOC；(b) 不同Sn含量的鈣鈦礦帶隙和電池效率記錄；(c) 器件結(jié)構(gòu)圖及錨定分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)；(d) STA處理后的SEM表面和截面圖；(e) 對(duì)照組、EDAI、PEAI和STA器件的正掃和反掃J-V曲線；(f) 對(duì)照組、EDAI、PEAI和STA器件的EQE圖和積分電流圖。