能源光电材料与器件课题组
​​​​​​​​​ Tan Research Group, Nanjing University
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Nature Communications报道课题组在全钙钛矿叠层电池稳定性上的最新突破
来源: | 作者:Jin Wen | 发布时间: 2023-11-07 | 1153 次浏览 | 分享到:

全钙钛矿叠层太阳能电池,由宽带隙(约1.8 eV)钙钛矿顶层电池与窄带隙(约1.2 eV)钙钛矿底层电池组成,其结构拓宽对太阳能光谱的利用率,减少热弛豫的损失。在过去几年中,全钙钛矿串联太阳能电池的光电转换效率(PCE)已经超越了单结钙钛矿太阳能电池(PSCs)的效率,有望成为下一代主流光伏技术。尽管PCE取得了显著进展,但稳定性问题仍然阻碍了全钙钛矿串联太阳能电池的商业化进程。

宽带隙子电池通常需要钙钛矿材料在X位引入溴(约40%)来达到目标带隙,但是同时也引入了在持续照明下严重的光诱导卤化物相分离的问题,从而限制了叠层电池的使役寿命。在之前的研究中,领域内已采用各种策略来解决这一挑战,如界面钝化、松弛晶格应、组分工程和开发新的传输层。这些研究在一定程度上减轻了光诱导卤化物相分离,然而,从全器件结构中理解相分离的基本机制仍然需要更多探索。

在带隙约为1.5 eV的单结PSCs中,被俘获在钙钛矿薄膜中的载流子电荷会引发不可逆的降解。在本研究中,我们揭示了电荷积累加速了宽带隙在光照下的卤化物分离,主要起因于钙钛矿薄膜与电子传输层(富勒烯,C60)接触的异质界面上能级不匹配和的高陷阱密度。这促使我们在钙钛矿/C60界面设计了功能层来促进电荷提取和稳定性提升。

通过在3D钙钛矿表面旋涂溶解在异丙醇中的长链铵配体,形成混合的2D/3D异质结构,已广泛用于优化PSCs中的接触异质界面。基于溶液的后处理涉及3D钙钛矿的溶解,获得更富含PbI2的表面,适合铵配体插层来形成二维钙钛矿。然而,当应用于不含MACs/Br富集宽带隙钙钛矿时,由于复杂的表面化学与增加的表面重构生长激活能,这种传统的生成2D钙钛矿的方法变得不再适用。

在本研究中,我们提出了一种通用的3D2D钙钛矿转化方法:通过混合蒸发/溶液法沉积一层精细调控的MAPbI3薄层,然后通过长链铵配体将其完全转化为2D结构。这种方法克服了传统溶液加工策略对组成的表面敏感性,使更宽维度(n ≥ 2)的2D钙钛矿层在不含MAWBG钙钛矿层上有选择地生长。由此产生的2D/3D异质结构有效加速了在钙钛矿/C60界面的电荷提取,从而抑制了光诱导的卤化物分离。在1.78 eV的宽带隙子电池中,我们实现了效率为19.6%和开压为1.32 V的最优器件。与此同时,在最大功率点运行1000小时后,宽带隙器件表现出优越的稳定性,保持其初始PCE95%。基于宽带隙器件性能和稳定性的提升,我们获得了最高效率为28.1%的全钙钛矿叠层太阳能电池,且运行850小时后保持其性能的90%。为目前已报道工作中最佳性能与稳定性的全钙钛矿叠层太阳能电池之一。 该研究成果于近日发表于国际顶级期刊《Nature Communications (https://doi.org/10.1038/s41467-023-43016-5) 。

图1. 电荷积累对宽带隙钙钛矿太阳能电池中光诱导卤化物相分离的影响。a-b 宽带隙的器件结构,用于在(a) 开路和(b) 短路条件下进行光稳定性研究。c-d 在照明下宽带隙器件的J-V曲线演变,分别为(c) 开路和(d) MPP跟踪条件。e-f 在照明下钙钛矿器件的PL光谱,分别为(e) 开路和(f) 短路条件。样品在532 nm激光下激发了10分钟。插图显示了在开路和短路条件下器件中的能带对齐的示意图。

图2.  2D/3D钙钛矿异质结构的制备和表征。a 不同组成的钙钛矿薄膜在使用5 mg mL-1 PEAI进行溶液后处理后的XRD图谱。b-c 2D/3D异质结构的沉积方法示意图:(b) 传统溶液后处理(称为传统2D)和 (c) 蒸汽辅助3D到2D转化(称为VAQ-2D)。d 蒸汽辅助3D到2D转化过程中WBG钙钛矿薄膜的相应SEM图像。e 纯3D、传统2D和VAQ-2D薄膜的PL光谱。f 计算得到的HTL/钙钛矿和HTL/钙钛矿/ETL结构的QFLS。

图3. 钙钛矿异质结构的载流子动力学和光稳定性。a 从UPS数据中提取的纯3D、传统2D和VAQ-2D薄膜的能级示意图。b-c (b) 钙钛矿薄膜和(c) 钙钛矿薄膜涂覆C60的TRPL光谱。所有薄膜均沉积在玻璃/NiOx-SAM衬底上。d-e 传统2D和VAQ-2D器件的PL光谱演变,在(d) 开路条件下,在(e) 短路条件下,使用532 nm激光激发(强度相当于15个太阳光)持续10分钟。f-g 不同器件的横截面SEM图像,包括ITO/NiOx-SAM/钙钛矿/C60/Cu,在1太阳光照射下经过972小时老化:(f) 纯3D组、(g) 传统2D、(h) VAQ-2D。标度尺为1 μm。i-k 不同器件的顶视SEM图像,包括在HTL上沉积并在1太阳光照射下经过500小时老化的(i) 纯3D、(j) 传统2D和(k) VAQ-2D薄膜。标度尺为1 μm。

图4. 宽带隙钙钛矿子电池的光伏性能和光稳定性。a 纯3D、传统2D和VAQ-2D处理的Cs0.2FA0.8Pb(I0.6Br0.4)3器件的J-V曲线。b VAQ-2D处理的器件的PCE分布。c 具有标准2D或准2D钝化的WBG器件的EQE曲线。不同带隙的冠军VAQ-2D器件的J-V曲线。d 控制、标准2D和VAQ-2D处理的DMA0.1Cs0.4FA0.5Pb(I0.72Br0.24Cl0.04)3器件的J-V曲线。e VAQ-2D器件在全光谱照明(AM 1.5G,100 mW cm-2)下测量封装器件的长期运行稳定性。f-g 封装的VAQ-2D器件在全光谱照明下开路条件下测得的PCE和详细参数演变。


5 . 全钙钛矿串联太阳能电池的光伏性能和稳定性。a 叠层太阳能电池结构示意图以及相应横截面SEM图像。b 最佳性能叠层太阳电池的J-V曲线,反向扫描和正向扫描下的PCE分别为28.1%28.1%。插图显示了冠军串联器件的功率输出,表现出28.1%的稳定PCE,持续600秒。c 最佳性能串联电池的EQE曲。d 85°C加热下封装的串联器件的PCE变化。e封装的叠层太阳能电池在模拟AM1.5太阳光照明下进行了930小时的MPP跟踪。

 

南京大学为该文的第一作者单位和唯一通讯单位,南京大学博士生闻瑾为该论文第一作者;南京大学现代工学院谭海仁教授为唯一通讯作者。本研究工作得到了电子科学技术大学赵怡程教授和南京大学化学院院田玉玺教授的指导与支持;其也得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、教育部前沿科学中心、江苏省自然科学基金等项目的资助;此外,南京大学固体微结构物理国家重点实验室、关键地球物质循环教育部前沿科学中心、人工微结构科学与技术协同创新中心和江苏省功能材料设计原理与应用技术重点实验室对该项研究工作也给予了重要支持。


论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-023-43016-5