中國科大胡芹團隊梯度鍺摻雜高效同質結錫基鈣鈦礦太陽能電池突破

發(fā)表時間：2024/5/24 14:03:24

-本研究相關參數(shù)圖表，整理至文末處-

摘要

錫基鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs) 作為一種具有巨大潛力的無鉛光伏技術，其發(fā)展受到 p 型自摻雜、高缺陷密度和非輻射複合等因素的限制。近期，中國科學技術大學微電子學院胡芹特任研究員團隊在《納米快報》上發(fā)表了一項重要研究成果，他們通過梯度鍺摻雜構建了錫基鈣鈦礦同質結結構，有效抑制了自摻雜效應，并大幅提升了器件的效率和穩(wěn)定性，為錫基 PSCs 的發(fā)展開闢了新的道路。

光焱科技設備的應用

該研究使用了光焱科技 (Enlitech) 的 QE-R_PV/太陽能電池量子效率測量系統(tǒng)進行器件的 EQE 光譜測量，并獲得了 IPCE (入射光子-電子轉換效率) 數(shù)據(jù)。 QE-R 系統(tǒng)具有以下特色優(yōu)勢：

l 適用于各種太陽能電池測試: QE-R 系統(tǒng)不僅適用于單結太陽能電池測試，還適用于串聯(lián)太陽能電池測試，包括鈣鈦礦太陽能電池、有機太陽能電池、硅異質結 (HJT) 電池、TOP-Con 電池、銅銦鎵硒 (CIGS) 電池等多種類型的電池。

l 寬波長范圍: QE-R 系統(tǒng)提供 3001800 nm、300~2500 nm 或客製化的波長范圍，滿足不同材料和器件的測試需求。

l 提供多種數(shù)據(jù): QE-R 系統(tǒng)能夠提供 QE（量子效率）、PV-EQE（外部量子效率）、IPCE（入射光子-電子轉換效率）、SR（光譜響應）、IQE（內部量子效率）、反射率等多種數(shù)據(jù)，為研究提供全面的信息。

l 高重複性: QE-R 系統(tǒng)結構緊湊，重復性高，超過 99.5%，確保了測量的準確性和可靠性。

l 符合多種標準: QE-R 系統(tǒng)符合 ATSM E 1021-15, ASTM E948, IEC 60904-8, IEC 60904-7, IEC 60904-1 等多種標準，確保了測量的規(guī)范性和可比性。

研究背景與核心概念

p 型自摻雜是阻礙錫基鈣鈦礦發(fā)展高性能太陽能電池的主要因素之一，它會增加背景電流密度，并加劇載流子復合過程。該研究提出了一種基于梯度鍺摻雜的同質結結構，該結構在鈣鈦礦薄膜內部產生內建電場，有效地耗盡了電荷載流子，從而降低了暗電流密度和陷阱密度。

研究方法與主要發(fā)現(xiàn)

研究團隊利用多種先進技術和設備對鈣鈦礦薄膜和器件進行了深入分析，包括：

密度泛函理論 (DFT) 計算: 研究人員利用 DFT 計算揭示了同質結的形成機制，并分析了鍺摻雜對鈣鈦礦薄膜能級結構的影響。

X 射線光電子能譜 (XPS): XPS 用于分析鈣鈦礦薄膜中鍺元素的分布和化學狀態(tài)，驗證了梯度摻雜的形成。

開爾文探針力顯微鏡 (KPFM): KPFM 用于測量鈣鈦礦薄膜的表面電勢，證實了同質結結構的形成。

紫外光電子能譜 (UPS): UPS 用于分析鈣鈦礦薄膜的能級結構，研究了鍺摻雜對能級的影響。

X 射線衍射 (XRD): XRD 用于分析鈣鈦礦薄膜的結晶度和晶體結構，研究了鍺摻雜對晶格的影響。

光致發(fā)光 (PL) 光譜和瞬態(tài)光致發(fā)光 (TRPL): PL 光譜和 TRPL 用于研究鈣鈦礦薄膜的激發(fā)態(tài)動力學和非輻射復合過程。

電流-電壓 (J-V) 特性測試: 研究人員利用 J-V 特性測試評估了 PSCs 的光電轉換效率和其他關鍵參數(shù)。

研究發(fā)現(xiàn)，梯度鍺摻雜構建的同質結結構有效地降低了錫基鈣鈦礦薄膜的暗電流密度兩個數(shù)量級，并將陷阱密度降低了一個數(shù)量級?；谠摻Y構的錫基 PSCs，其功率轉換效率 (PCE) 達到了 13.3%，并展現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性，在連續(xù)光照 250 分鐘后仍能保持 95% 的初始效率，在儲存 3800 小時后仍能保持 85% 的初始效率。

研究結果與討論
研究結果表明，氟化可以降低 Spiro-OMeTAD 的 HOMO 和 LUMO 能級，并拓寬其光學帶隙，有利于提高器件的開路電壓 (Voc) 和短路電流密度 (Jsc)。此外，氟化還能增強 HTM 的疏水性，提高器件的耐濕性。

基于 Spiro-mF 的 PSCs 實現(xiàn)了 24.82% 的高效率 (認證效率 24.64%)，電壓損失僅為 0.3 V，是目前報道的 PSCs 中低的電壓損失。這表明 Spiro-mF 能夠有效地提取空穴并抑制非輻射復合。

此外，Spiro-mF 基器件還展現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。在 50% 相對濕度環(huán)境下，未封裝的 Spiro-mF 基器件在 500 小時后仍能保持 87% 的初始效率，而 Spiro-OMeTAD 基器件的效率則下降到 60%。

分子動力學模擬結果表明，Spiro-mF 比 Spiro-oF 和 Spiro-OMeTAD 更容易吸附在鈣鈦礦表面，并且其芴單元更容易與鈣鈦礦表面接觸。Spiro-mF 在鈣鈦礦表面形成層狀堆積結構，空穴傳輸積分更高，更有利于空穴傳輸。

結論與展望

該研究通過梯度鍺摻雜成功地構建了高效穩(wěn)定的錫基鈣鈦礦同質結太陽能電池，為錫基 PSCs 的發(fā)展提供了新的策略。這項研究不僅揭示了同質結形成的微觀機制，也為設計新型無鉛鈣鈦礦光電器件提供了新的思路。未來，研究人員可以進一步探索其他摻雜元素和同質結結構，開發(fā)出更高效、更穩(wěn)定、更環(huán)保的無鉛 PSCs，為可再生能源的發(fā)展做出貢獻。

本文參數(shù)圖: