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創(chuàng)記錄！全鈣鈦礦串聯(lián)太陽(yáng)能電池刷新紀(jì)錄！

2022-11-24 09:12:54 來(lái)源：材料人
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簡(jiǎn)介：金屬鹵化物鈣鈦礦作為一種極具前景的新型光伏材料，有望用于構(gòu)建更薄、更輕、更柔性、低成本的高效太陽(yáng)能電池。單結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（中國(guó)新能源材料與器件第五屆學(xué)術(shù)會(huì)議?）的效率（PCE）在短短的十多年內(nèi)從4%（2009年）提升至25.8%（2021年），已經(jīng)可以與硅電池相媲美。然而，想要進(jìn)一步提升單結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的效率變得十分困難。
【導(dǎo)讀】
金屬鹵化物鈣鈦礦作為一種極具前景的新型光伏材料，有望用于構(gòu)建更薄、更輕、更柔性、低成本的高效太陽(yáng)能電池。單結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（中國(guó)新能源材料與器件第五屆學(xué)術(shù)會(huì)議）的效率（PCE）在短短的十多年內(nèi)從4%（2009年）提升至25.8%（2021年），已經(jīng)可以與硅電池相媲美。然而，想要進(jìn)一步提升單結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的效率變得十分困難。
得益于鈣鈦礦優(yōu)異的寬帶隙可調(diào)性，通過(guò)開(kāi)發(fā)全鈣鈦礦疊層電池能夠突破單結(jié)電池的Shockley-Queisser極限。研究者通過(guò)兩層不同帶隙的鈣鈦礦材料相互堆疊，以收集不同波長(zhǎng)的陽(yáng)光，進(jìn)而提升光吸收效率，從而達(dá)到突破電池效率的目的。在這類全鈣鈦礦疊層電池中，頂部的寬帶隙鈣鈦礦層可以完美的吸收光譜中的紫外及部分可見(jiàn)光，而底層的窄帶隙鈣鈦礦層則有利于吸收長(zhǎng)波可見(jiàn)光和近紅外光。因此，通過(guò)這種疊層設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)器件對(duì)太陽(yáng)光譜的有效利用，提升電池的能量轉(zhuǎn)換效率。
2021年韓國(guó)學(xué)者實(shí)現(xiàn)了單結(jié)鈣鈦礦電池的最高效率25.8%。僅僅一年后，我國(guó)學(xué)者南京大學(xué)譚海仁課題組及相關(guān)合作者就利用鈣鈦礦疊層技術(shù)實(shí)現(xiàn)了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的效率突破，PCE達(dá)到了26.4%，展示了疊層全鈣鈦礦電池的優(yōu)異前景。盡管疊層鈣鈦礦太陽(yáng)能電池取得了上述巨大突破，然而其面臨的巨大的開(kāi)路電壓損失是抑制其效率進(jìn)一步提升的關(guān)鍵問(wèn)題。目前單結(jié)~1.5 eV帶隙鈣鈦礦電池已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了低至0.3 V的開(kāi)壓損失（即帶隙和開(kāi)路電壓之間的差異），而帶隙為1.75 eV鈣鈦礦太陽(yáng)能電池還沒(méi)能實(shí)現(xiàn)低于0.5 V的開(kāi)壓損失。
02【成果掠影】
近日，多倫多大學(xué)的Edward H. Sargent教授聯(lián)合美國(guó)托萊多大學(xué)鄢炎發(fā)教授在Nature上報(bào)到了題為“Regulating surface potential maximizes voltage in all-perovskite tandems”的論文，實(shí)現(xiàn)了新效率記錄（＞27%）的全鈣鈦礦疊層太陽(yáng)能電池。研究人員采用1.79 eV帶隙的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（中國(guó)新能源材料與器件第五屆學(xué)術(shù)會(huì)議）的開(kāi)路電壓達(dá)到1.33 V，實(shí)現(xiàn)了首個(gè)開(kāi)路電壓損失低于0.5 V的寬帶隙鈣鈦礦電池。此外，該成果以Accelerated Article Preview的形式優(yōu)先在線發(fā)表，即未經(jīng)深度編校的accepted manuscript版本。

03【核心創(chuàng)新點(diǎn)】
1、C60的引入會(huì)使PLQY降低兩個(gè)數(shù)量級(jí)，鈣鈦礦/C60界面可能與是開(kāi)路電壓損失密切相關(guān)；
2、短鏈二銨配體（PDA）鈍化處理可有效改變鈣鈦礦界面的動(dòng)力學(xué)；
04【數(shù)據(jù)概覽】

圖1 鈣鈦礦/C60界面復(fù)合分析及最小化策略 © 2022 Springer Nature
(a) 用PDA配體處理鈣鈦礦表面的晶體結(jié)構(gòu)示意圖 ;
(b) PLQY數(shù)據(jù)來(lái)自對(duì)照、丁胺(BA)和丙烷二銨(PDA)在ITO/HTL襯底上用C60和不加C60處理的薄膜;
(c) 對(duì)照和BA和PDA處理的薄膜與C60的帶對(duì)齊(值來(lái)自補(bǔ)充圖S2中的UPS/IPES測(cè)量);
(d) 未處理和PDA處理的帶有溴離子空位(VBr)的Pb-I端表面之間的功函數(shù)差(ΔW)。ΔW的正值表示費(fèi)米能級(jí)的上移，ΔW的負(fù)值表示費(fèi)米能級(jí)的下移;
(e) 計(jì)算出大塊鈣鈦礦和不同表面結(jié)構(gòu)的態(tài)密度(DOS)。

圖2 表面不均勻性及其利用表面吸附分子層的修復(fù)措施 © 2022 Springer Nature
(a)對(duì)照和PDA處理薄膜的QFLS圖譜顯示出更強(qiáng)的同質(zhì)性和對(duì)c60誘導(dǎo)缺陷的抗性。
(b) QFLS像素值直方圖。
(c-d) 對(duì)照組和PDA處理組的KPFM圖像。
(e-f) 對(duì)照組合PDA處理膜在0.15°入射角的GIWAXS圖。
(g-h)比較對(duì)照組和PDA處理薄膜的表面(0.15°)和體塊(1.0°)晶體結(jié)構(gòu)。
(i-j) 控制和處理組的瞬態(tài)反射率譜。

圖3 寬帶隙鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的表征 © 2022 Springer Nature
(a) 對(duì)照組合處理組寬帶隙鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的J-V曲線。
(b) 認(rèn)證的J-V曲線。
(c) 對(duì)照組合處理組寬帶隙鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的參數(shù)，統(tǒng)計(jì)了30個(gè)器件。
(d) 對(duì)照組合處理組寬帶隙鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的效率和開(kāi)壓損失分析。

圖4 鈣鈦礦串聯(lián)太陽(yáng)能電池的光伏性能和穩(wěn)定性 © 2022 Springer Nature
(a) 鈣鈦礦疊層串聯(lián)電池的結(jié)構(gòu)。
(b) 器件的橫截面SEM圖。
(c, d) 串聯(lián)電池兩個(gè)子電池的EQE曲線和J-V曲線。
(e) NERL認(rèn)證的全鈣鈦礦串聯(lián)電池J-V曲線。
(f) 穩(wěn)定性測(cè)試。
05【成果啟示】
研究者通過(guò)研究鈣鈦礦疊層電池中常見(jiàn)的鈣鈦礦/C60界面的復(fù)合損失問(wèn)題，設(shè)計(jì)出了一種PDA鈍化策略，實(shí)現(xiàn)了超低開(kāi)壓損失的寬帶隙太陽(yáng)能電池，首次實(shí)現(xiàn)了開(kāi)壓損失低于0.5 V的寬帶隙鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的設(shè)計(jì)。將上述器件與窄帶隙器件結(jié)合制備了疊層器件，實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的高開(kāi)路電壓（2.19 V）和大于27%效率的全鈣鈦礦疊層太陽(yáng)能電池（中國(guó)新能源材料與器件第五屆學(xué)術(shù)會(huì)議）。
原文詳情：
https://doi.org/10.1038/s41586-022-05541-z
本文由金也供稿。
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