能源光电材料与器件课题组
​​​​​​​​​ Tan Research Group, Nanjing University
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AEM刊发课题组在高效率宽带隙钙钛矿及晶硅叠层太阳能电池上新进展
来源: | 作者:HaowenLuo | 发布时间: 2022-12-09 | 768 次浏览 | 分享到:

近日,南京大学谭海仁教授团队报道了高效稳定的宽带隙半透明钙钛矿电池及四端钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池。研究人员通过协同引入诱导结晶重构的分子硫氰酸甲胺(MASCN)与形成二维结构的分子碘化苯乙胺(PEAI),用一步后处理的方式同时实现了钙钛矿体相与顶底界面的缺陷钝化。这种新型的后处理的方法实现了对钙钛矿晶粒的重构,使其晶界垂直于衬底生长,减少了载流子跨越横向晶界时的传输阻力;同时在晶界和界面处形成的二维钙钛矿结构进一步降低了非辐射复合损失。该方法在体相和界面处的协同作用有效减少了宽带隙钙钛矿电池的开压损失,基于该后处理方法制备的宽带隙钙钛矿器件光电转化效率达到21.9%。宽带隙半透明器件的效率及基于该半透明器件制备的四端钙钛矿/晶硅叠层电池的效率分别达到19.9%与29.8%,均为世界领先水平。置于宽带隙钙钛矿晶界与界面处的二维钙钛矿结构有效抑制了有机阳离子与卤素离子的迁移,提升了宽带隙半透明器件的稳定性,其封装器件在500h模拟太阳光光照条件下无明显衰减,进一步展现了该工作对宽带隙钙钛矿效率和稳定性的重要指导意义。该成果以“Grain Regrowth and Bifacial Passivation for High-Efficiency Wide-Bandgap Perovskite Solar Cells”为题于2022年11月27日发表在Advanced Energy Materials【Advanced Energy Materials, 2203230】期刊。


近年来,宽带隙钙钛矿电池器件已经成功实现了与多种窄带隙电池器件的集成,如Si、CIGS和Sn−Pb基钙钛矿,并实现了多种叠层太阳能电池的制备。作为顶电池,宽带隙钙钛矿子电池的效率瓶颈和稳定性的不足,严重限制了叠层电池的性能。其中效率低的主要表现是其开路电压相较于理论极限损失大,宽带隙钙钛矿体相与界面处较高的缺陷浓度引起的非辐射复合损失则是其开路电压损失的关键原因。稳定性的问题则主要是由于X位碘溴离子及A位阳离子的迁移导致的。因此减少钙钛矿薄膜体相与界面处的非辐射复合,削弱体相中离子迁移的能力是提升宽带隙钙钛矿效率和稳定性的关键。


谭海仁教授团队针对上述难点,提出了结晶重构的薄膜处理方法,通过同时引入硫氰酸甲胺(MASCN)与碘化苯乙胺(PEAI)对薄膜进行后处理,使钙钛矿的晶粒显著增大,平均粒径由300 nm提升至800 nm,该过程减少了晶界产生,而晶界被认为是体相缺陷形成的主要原因。重构过程同时消除了横向晶界,这将减少载流子的传输阻碍。

图1 钙钛矿薄膜后处理方法示意图及表面晶粒展示

图2 不同后处理的钙钛矿电池器件性能

图3 宽带隙钙钛矿半透明电池及四端钙钛矿/晶硅叠层电池器件性能


仅用PEAI处理钙钛矿表面的传统的钝化方式,无法在宽带隙钙钛矿表面形成晶体结构,PEA仅以分子形式吸附于钙钛矿表面,无法作用于钙钛矿体相。重构钝化使得钙钛矿薄膜中形成显著的二维钙钛矿层,且其分布可以深入薄膜体相与底面,二维钙钛矿由于其层间较长的空间间隔使得离子难以通过,这对抑制晶界处的离子迁移有显著效果。基于重构钝化处理的薄膜体相以及顶底界面的非辐射复合均有显著下降,钙钛矿底面的载流子寿命也显著提升,这说明该方法可以有效作用于薄膜底部,减少钙钛矿底面的缺陷。重构钝化过程显著提升了宽带隙钙钛矿器件的开路电压与填充因子,最优器件的效率达到21.9%,且其稳定输出效率也达到21.8%。

此外,基于该处理的宽带隙钙钛矿半透明电池的光电转化效率达到19.9%,四端钙钛矿/晶硅叠层电池的效率达到29.8%,且在连续光照500h的情况下没有显著的衰减。


该工作通过引入新型后处理的方法,诱导钙钛矿薄膜重新结晶的同时在体相与双界面引入二维钙钛矿结构,减少了宽带隙钙钛矿体相与界面处的非辐射复合,提升了器件的性能。该工作为多结光伏器件中制备高效稳定的宽带隙子电池提供了重要指导方向。未来需要进一步提升宽带隙钙钛矿的效率,并且研究其在光、热、电场等多重作用下的长时间稳定性机制,为钙钛矿叠层电池最终能实现商业化运用铺平道路。

南京大学谭海仁教授为通讯作者,南京大学特任副研究员刘洲为文章的第一作者。该研究得到国家自然科学基金(U21A2076, 61974063)、江苏省自然科学基金(BK20202008, BK20190315)、中央高校基本科研业务费专项资金资助(0213/14380206; 0205/14380252)及关键地球物质循环前沿科学中心(DLTD2109)等项目支持。


文章来源:https://eng.nju.edu.cn/24/e5/c4967a599269/page.htm

文章链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202203230