《钙钛矿太阳能电池:无需完美!》

  • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者: 冯瑞华
  • 发布时间:2018-01-22
  • 用于太阳能电池的金属有机钙钛矿层通常使用旋涂技术在工业相关的小型基材上制造。这些钙钛矿层通常多孔,但能量转换效率却非常高。这些孔为什么不会导致正面和背面接触之间明显短路呢?原因已经找到了!

    钙钛矿太阳能电池的简化剖面图:钙钛矿层并没有覆盖整个表面,而是存在空穴。科学家们证明这种结构建立了一个防止短路的保护层

    早期的金属有机钙钛矿的效率水平只有百分之几(2006年为2.2%)。然而现在的水平远高于22%。比目前商业上主导的硅太阳能电池技术的转化效率提高了近50年。由低成本金属-有机钙钛矿制成的薄膜可以通过旋涂和随后的烘焙(由此溶剂蒸发并且材料结晶)而大规模生产,这使得该技术更具吸引力。

    钙钛矿薄膜上的孔

    尽管如此,在致密基底上旋涂产生的薄钙钛矿薄膜通常不是完美的,而是出现了许多孔洞,由亨利·斯奈斯教授领导制成的开创性钙钛矿组样品也出现了这些孔洞。问题在于这些孔可能导致太阳能电池的相邻层接触而导致太阳能电池短路,这将会大大降低效率水平,但却并没有被观察到。

    生长出薄层

    现在MarcusBär和他的小组以及Fritz Haber研究所的Spectro-Microscopy小组仔细检查了Henry Snaith的样品,他们利用扫描电子显微镜绘制了钙钛矿层的表面形貌,随后使用BESSY II的分光谱方法分析了样品出现孔洞区域的化学成分。博士生Claudia Hartmann解释说:“我们能够确定,即使是在孔洞中,基板也没有被完全暴露出来,而是通过沉积和结晶过程形成了薄层,这有效防止了短路。”

    防止短路

    科学家们一致能够确定的事,相较于接触层的直接接触的情况,电池的电荷载体必须克服的巨大的能量势垒才能彼此重新结合。Bär表示:“尽管钙钛矿薄膜有许多孔,电子传输层(TiO2)和正电荷载体传输材料(Spiro MeOTAD)实际上并不直接接触,而且接触层之间的复合屏障足够高,以致这些太阳能电池的实际损耗很小。”

相关报告
  • 《新型钙钛矿太阳能电池:转换率18.1%》

    • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者:冯瑞华
    • 发布时间:2018-10-30
    • 钙钛矿太阳能电池在近日又获得了新的研究进展。南京工业大学海外人才缓冲基地(先进材料研究院)黄维院士、王建浦教授团队利用3溴苯甲胺制备了高结晶性、低缺陷的准二维钙钛矿薄膜。 据了解,该薄膜上层是高度取向生长的三维钙钛矿组分,其较小的带隙和低的激子束缚能可实现低能太阳光子利用和高效电荷分离。薄膜底部是竖直生长的宽带隙钙钛矿组分,有利于实现高效的电荷传输。基于这种独特结构的钙钛矿薄膜,实现了功率转换效率达18.2%的准二维钙钛矿太阳电池。未封装器件在40%相对湿度的大气环境下老化2400小时,效率仍保持初始值的82%。 更重要的是,将未封装器件浸入水中60秒,其参数几乎没有变化,展现出优异的水稳定性。此外,该器件也能作为发光二极管很好的工作,外量子效率可达3.85%。在大气环境下,未封装器件在200 mA cm-2大电流密度下寿命达96小时,刷新了钙钛矿发光二极管稳定性的世界纪录。 该研究表明,基于3溴苯甲胺的准二维钙钛矿材料有望实现高效稳定的钙钛矿光电器件,而精确调控钙钛矿薄膜生长是实现这一目标的关键因素之一。 本文封面图来源于图虫创意 .
  • 《倒置结构钙钛矿太阳能电池研究取得重要进展》

    • 来源专题:先进材料
    • 编译者:李丹
    • 发布时间:2023-07-07
    • 钙钛矿以其长的载流子扩散长度、长的载流子复合寿命和宽的吸收范围,已经成为低成本和高性能太阳能电池的潜在材料。经过十多年的发展,单结钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已提高至25%以上,为太阳能电池产业的升级转型提供了新途径。因倒置平板结构器件具有可低温制备、可忽略的迟滞效应、高稳定性的特性,并可以制备成叠层电池,所以其备受重视。然而由于钙钛矿材料的多晶性和离子特性,钙钛矿中存在大量导致离子迁移和载流子非辐射复合的缺陷,且缺陷是水/氧渗透的主要通道,会显著降低钙钛矿薄膜甚至器件的稳定性。 前期,中国科学院宁波材料技术与工程研究所有机光电材料与器件团队在葛子义研究员的带领下通过薄膜形貌调控、载流子传输层修饰和新型二维钙钛矿材料设计(Angew. Chem.Int. Ed. 2023, 62, e2022175; Adv. Funct. Mater. 2023, 2301956; Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2101416;Adv. Funct. Mater. 2022, 10, 2210600;Infomat 2022, e12379;Nano Energy 2022, 93, 106800;Energy Environ. Sci. 2022, 15, 3630)等手段,大幅提升了钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。然而,钙钛矿中的缺陷和光诱导引起的相分离将显著降低钙钛矿太阳能电池的性能和稳定性。为了解决这一问题,团队基于添加剂工程,利用可变形添加剂优化前驱体溶液胶体尺寸分布,增大钙钛矿薄膜晶粒尺寸,释放晶界残余应力,钝化铅、碘和有机阳离子缺陷,抑制光诱导引发的相分离。此外,添加剂还可优化钙钛矿能级,从而促进载流子提取/传输,减少陷阱辅助复合。通过该方法制备的钙钛矿太阳能电池的性能得到大幅度提升,基于富溴钙钛矿(FA0.88Cs0.12PbI2.64Br0.36) 和贫溴钙钛矿(FA0.96Cs0.04PbI2.8Br0.12)的器件分别获得了23.18%和24.14%的最佳效率,并且基于贫溴钙钛矿的柔性钙钛矿太阳能电池也获得了23.13%的出色效率,是迄今为止报道的柔性钙钛矿太阳能电池的最高值之一。这项工作为添加剂工程中钝化缺陷、应力消除和抑制相分离提供了新的见解,为开发最先进的太阳能电池提供了可靠方法。 相关成果以“A Deformable Additive on Defects Passivation and Phase Segregation Inhibition Enables the Efficiency of Inverted Perovskite Solar Cells over 24%”为题发表在国际知名期刊Advanced Materials上。宁波材料所博士后谢莉莎、硕士生刘健为共同第一作者,宁波材料所葛子义研究员和刘畅研究员为该论文的通讯作者。上述工作得到国家相关人才计划(21925506)、国家自然科学基金(U21A20331、81903743、22279151、22209192、62275251)和博士后面上项目(2022M713242)等项目的支持。(来源:中国科学院宁波材料技术与工程研究所) 相关论文信息:https://doi.org/10.1002/adma.202302752