《Nature(IF>69.504)》譚海仁團(tuán)隊(duì)最新研究-鈣鈦礦界面結(jié)構(gòu)優(yōu)化，疊層太陽電池效率28.5%。    

【重點(diǎn)摘要】

1. 研究團(tuán)隊(duì)在鉛錫混合鈣鈦礦/電子傳輸層界面引入雙層鈣鈦礦異質(zhì)結(jié),有效抑制了界面復(fù)合損失,提高了電荷提取效率。

2. 通過在鉛錫混合鈣鈦礦頂部沉積一層鉛鹵化物寬禁帶鈣鈦礦形成雙層異質(zhì)結(jié),混合鈣鈦礦太陽能電池的效率提高到23.8%。

3. 在混合鈣鈦礦子電池中應(yīng)用雙層異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu),全鈣鈦礦疊層太陽能電池實(shí)現(xiàn)了28.5%的記錄效率。封裝的疊層電池經(jīng)過600小時(shí)光照后,效率仍保持在90%以上。

   
   

【研究背景】

全鈣鈦礦疊層太陽能電池具有利用光譜范圍廣、熱損耗低的優(yōu)點(diǎn),被視為下一代光伏技術(shù)的有力候選。但是先前報(bào)道的鉛錫混合鈣鈦礦底層電池存在開路電壓和填充因子不足的問題,主要是鈣鈦礦與電子傳輸層之間的界面發(fā)生嚴(yán)重的非輻射復(fù)合造成的。構(gòu)建混合2D/3D異質(zhì)結(jié)是目前研究最多的抑制界面復(fù)合的方法,但2D層會(huì)增加電阻,影響電荷傳輸。

【研究成果】

南京大學(xué)譚海仁團(tuán)隊(duì)在鉛錫混合鈣鈦礦/電子傳輸層界面引入了II型能帶結(jié)構(gòu)的3D/3D雙層鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)。先在混合鈣鈦礦表面沉積一層鉛鹵化物寬禁帶鈣鈦礦,再通過溶液處理轉(zhuǎn)化為鈣鈦礦,形成雙層異質(zhì)結(jié)。這種結(jié)構(gòu)有利于電荷提取,混合鈣鈦礦太陽能電池的開路電壓和填充因子顯著提高,效率達(dá)到23.8%。

在混合鈣鈦礦子電池中應(yīng)用雙層異質(zhì)結(jié),全鈣鈦礦疊層太陽能電池達(dá)到28.5%的記錄效率。封裝后的疊層電池在連續(xù)600小時(shí)光照條件下,效率仍能保持在90%以上。這主要是因?yàn)殡p層異質(zhì)結(jié)抑制了界面復(fù)合,提高了電荷轉(zhuǎn)移速率。

【研究方法】

1. 利用溶液處理和蒸發(fā)方法,在混合鈣鈦礦表面覆蓋鉛鹵化物鈣鈦礦薄層,形成雙層異質(zhì)結(jié)。

2. 通過掃描電鏡、X射線衍射等手段表征雙層異質(zhì)結(jié)的形貌和結(jié)構(gòu)。

3. 測量并比較帶異質(zhì)結(jié)和不帶異質(zhì)結(jié)的混合鈣鈦礦太陽能電池的光伏參數(shù)。

4. 采用穩(wěn)態(tài)和時(shí)間分辨光致發(fā)光、超快瞬態(tài)吸收等方法研究異質(zhì)結(jié)的載流子動(dòng)力學(xué)。

5. 在混合鈣鈦礦子電池中引入雙層異質(zhì)結(jié),制作鈣鈦礦疊層太陽能電池。測試并優(yōu)化子電池的參數(shù),實(shí)現(xiàn)高效率。

6. 對(duì)疊層太陽能電池進(jìn)行封裝,測試其在光照條件下的穩(wěn)定性。

   
   

【結(jié)論】

本研究在混合鈣鈦礦太陽能電池的界面引入3D/3D雙層異質(zhì)結(jié),有效抑制了界面復(fù)合,獲得了23.8%的高效率混合鈣鈦礦單電池。這種雙層異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于全鈣鈦礦疊層電池,進(jìn)一步提升了效率至28.5%,表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。該成果為鈣鈦礦太陽能電池的界面設(shè)計(jì)和高效疊層電池的開發(fā)提供了新思路。

寬禁帶、窄禁帶亞電池和疊層太陽能電池的光伏性能。a,帶原VNPB和修改SAM的NiO空穴傳輸層的寬禁帶鈣鈦礦太陽能電池的J-V曲線。b,控制組和PHJ窄禁帶鈣鈦礦太陽能電池的J-V曲線。c-d,不同亞電池疊層太陽能電池的J-V和EQE曲線。從EQE光譜中獲得的寬禁帶和窄禁帶亞電池的積分Jsc值顯示不同疊層太陽能電池之間具有良好匹配的電流密度(光伏性能參數(shù)見補(bǔ)充表13)。

寬禁帶鈣鈦礦太陽能電池的光伏性能。a, 62個(gè)器件中的光伏參數(shù)統(tǒng)計(jì)。b-c, 性能最佳的寬禁帶器件的J-V、EQE和總吸收度(1-R)曲線。