如何量化钙钛矿叠层效率损失有多少来源于离子迁移?

文摘   2024-12-11 18:49   新加坡  
对于钙钛矿材料来说离子迁移所引起的性能问题可谓老生常谈,对于单结器件研究者们已经开发了大量的表征手段进行表征,我们在之前已经聊过离子迁移表征手段汇总。而钙钛矿叠层中,离子迁移所带来的影响更复杂,目前关于这方面的研究还很少,作者通过快速滞后测试,即变速率的JV测试,量化了钙钛矿的离子迁移对叠层器件效率所带来的损失,小编觉得这个表征值得大家了解。
快速滞后测试测试机理:通过稳态 (Steady-state)、峰值滞后 (Peak hysteresis) 和离子冻结 (Ion-freeze) 状态的PCE对比,量化离子迁移的损失。

1. 关键参数定义

  • 稳态效率 (Steady-state efficiency)
    :在最慢的扫描速率下测得的PCE,代表器件的真实光电转换效率,此时离子分布已完全稳定。
  • 离子冻结效率 (Ion-freeze efficiency)
    :在最快的扫描速率下测得的PCE,此时离子被“冻结”,无法迁移,并且在活性层中均匀分布。
  • 离子损失 (Ionic loss)
    :通过公式计算,Ionic loss=Ion-freeze efficiencySteady-state efficiency\text{Ionic loss} = \text{Ion-freeze efficiency} - \text{Steady-state efficiency}离子迁移而引起的PCE下降,反映了离子在电池活性层内重新分布时对电荷收集的影响。

2. 如何衡量对比离子迁移引起的效率损失:以钙硅叠层和钙钙叠层测试为例,我们主要对比两个参数一个是PCE的变化,一个是峰值滞后的位置。
  • 引起PCE的变化的主要是由于离子迁移通过短路电流密度和填充因子的影响造成的。随着扫描速率的降低,离子有更多的时间在活性层内重新分布,导致局部电场的形成,进而阻碍电荷的提取。钙硅叠层器件的效率损失大于钙钙叠层,这主要是由于其离子迁移过快所引起。
  • 峰值滞后的位置随着扫描速率的变化而移动,其位置取决于离子扩散系数,扩散系数大的材料,其峰值滞后位置会向更高的扫描速率移动。相比于钙钙叠层,钙硅叠层的峰值滞后更大,这是由于其PCE在最快扫描速率下未完全“闭合”,这表明电容效应的出现限制了可实现的最大扫描速度,钙硅叠层离子扩散系数更大。
具体的测试步骤:
  • 快速滞后测试 (Fast-hysteresis measurement)

    • 测试方法
      将电池的电压预偏置到开路电压之上,随后施加一个从VOC到-0.1V再回到VOC的三角形电压脉冲。
    • 扫描速度
      电压扫描速度 (V/s) 由信号发生器控制,并通过示波器记录电池的电压响应。
    • 电压保持
      在VOC处的电压保持时间比总的电压扫描时间长5倍,以确保稳定性。
    • 设备
      使用FastChar UG开发的测量系统,包括示波器和信号发生器。
  • 电流衰减测量 (Current decay measurement)

    • 测试方法
      将光照条件下的器件从VOC的偏置电压快速切换到0V,同时测量输出电压。
    • 外部电阻
      在测量中使用50欧姆的外部负载电阻。
    • 电流变化
      初始时,电流密度JSC迅速上升,随后电流密度随时间逐渐下降。该下降是由于可移动离子在活性层中形成电场,阻碍了电荷的提取。
    • 设备
      同样使用FastChar UG的系统进行测量   

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