能源光电材料与器件课题组
​​​​​​​​​ Tan Research Group, Nanjing University
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ACS Energy letters报道课题组在钙钛矿晶硅叠层上的最新进展
来源: | 作者:Haowen Luo | 发布时间: 2023-11-07 | 761 次浏览 | 分享到:

近日,南京大学谭海仁教授课题组报道了钙钛矿/晶硅叠层电池在迈向大规模制备上的新进展,相关成果以“Inorganic Framework Composition Engineering for Scalable Fabrication of Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells”为题,发表于国际顶级期刊《ACS Energy Letters》。

钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池通过将可调节带隙的钙钛矿顶电池(带隙约为1.65-1.7 eV)与晶硅底电池进行串联经过近几年的发展实现了超过33.7%的认证光电转换效率。这个效率已经超过了所有单结电池的理论极限,充分展示了钙钛矿/晶硅叠层电池广阔的发展潜力,是下一代光伏技术的重要发展方向。尽管通过旋涂法制备的小面积叠层取得了瞩目的效率,但如何大面积制备高效的叠层电池成为制约其商业化的一大关键问题。

通常,为了兼顾产线生产的大绒面底电池和更高的光捕获,往往采用蒸发-溶液两步法制备钙钛矿太阳能电池,但第二步溶液法如果通过旋涂制备,尽管能获得高的效率但其并不适合大面积制备。因此,开发大面积的蒸发-溶液法例如蒸发-刮涂法等非常有必要。在本研究中,我们探索了从旋涂法向刮涂法的过渡,发现了由于溶剂蒸发动力学的不可预测导致了反应并不能向旋涂那样进行得非常彻底,在底部存在没有反应完的PbI2等无机物质。

基于此,我们在第一步蒸发过程提出了一种多源蒸发策略(TS)结合无机框架退火工艺(FHT):引入PbCl2源,先三源共蒸PbCl2PbI2CsBr,随后再200退火30s。这种策略(TS+FHT)在无机框架中形成了一种准二维结构CsPb2X5,这种具有更大晶面间距的相使整个无机框架层更加疏松,有利于第二步刮涂时有机盐的向下渗透,促进了PbI2等无机物质的完全转化。在我们的优化下,1.68 eV的宽带隙钙钛矿太阳能电池实现了20.3%的光电转换效率。基于钙钛矿的性能提升,我们结合双面制绒的硅异质结电池制备的叠层电池在1.05 cm2有效面积上实现了28.3%的稳态输出效率。与此同时,封装的叠层电池在空气中在最大功率点运行1200h后仍能维持初始效率的94%,展示出了优越的稳定性。


1. 无机框架表征。旋涂和刮涂制备钙钛矿的(aSEM和(bXRD表征。(c)两步法工艺示意图。(d)双源和三源共蒸得到的无机框架的Cl元素的XPS图谱。(e-f)不同处理的无机框架的XRD全图谱和放大区域的图谱。(g)无机框架的紫外可见光吸收和荧光光谱。(h)不同无机框架的相组成和排列示意图。

2. 钙钛矿薄膜表征。(a-c)三种无机框架在有机盐旋涂后和热退火后的XRD图谱以及(d-f)在热退火后的钙钛矿薄膜表面和截面图。


3. 钙钛矿薄膜的光电性能表征。(a)不同薄膜的稳态PL图谱和(b)时间分辨的PL图谱。(c)从荧光量子产率PLQY计算得到的薄膜准费米能级分裂值QFLS。并对每个薄膜绘制了QFLSShockley-Queisser辐射极限。(d-ePL峰值随时间的变化(用485 nm激光连续照明,激光强度为15Sun)和三种薄膜的峰值移动随时间的变化。


4. 钙钛矿太阳能电池的光伏性能。(a 钙钛矿太阳能电池器件结构示意图。(b-e)基于不同处理的太阳能电池的光伏参数(VocJscFFPCE)统计分布图。(f)各条件下正反扫描下最佳的J-V曲线。(g 太阳能电池的EQE图谱和电流积分曲线。(h)在光强为1Sun照射下300 s性能最佳器件的稳态输出功率。

5. 钙钛矿/晶硅叠层电池的光伏参数以及稳定性表征。(a)叠层的器件结构示意图和(bSEM图。(c)最佳叠层电池的J-V曲线(1.05 cm2孔径面积)。(d)电流匹配的钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池的EQE光谱。(e)最佳叠层太阳能电池的稳态输出功率和(f)超过27个独立电池的效率统计。(g)封装叠层太阳能电池在空气中(20-40%RH)MPP追踪。


南京大学博士生罗皓文,博士生郑循天为论文的共同第一作者;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,中央高校基础研究基金,江苏省创新人才创业计划,中国博士后基金,江苏省博士后基金,常州市科技支撑计划(产业)项目等项目的资助和支持。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://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.3c02002