晶体取向控制助力全钙钛矿叠层太阳能电池效率为突破29%。

文摘   2025-01-11 22:50   浙江  
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          全钙钛矿叠层太阳能电池有望突破单结太阳能电池效率极限,但宽带隙钙钛矿子电池的开路电压损失严重阻碍了其效率提升。尽管在界面工程等方面取得进展,但缓解宽带隙钙钛矿薄膜固有非辐射复合问题仍具挑战性。控制晶体取向是增强宽带隙钙钛矿薄膜光电性能的有前途方法。

    1.72 - 1.80 电子伏特宽带隙钙钛矿太阳能电池的光伏参数
    南京大学谭海仁/Renxing Lin团队联合瑞士洛桑联邦理工学院Michael Greatzel院士开发了一种宽带隙钙钛矿薄膜,其改进了(100) 晶体取向,抑制了非辐射复合,在薄膜表面使用二维钙钛矿作为中间相可促进结晶过程中沿(100) 三维钙钛矿面的异质成核。通过表面成分工程增加二维相的数量,可以实现优选的(100) 取向,而无需过多的二维配体,否则会阻碍载流子传输。该团队证明了1.78 eV 宽带隙钙钛矿太阳能电池的开路电压为1.373 V,填充因子高达84.7%。在最大功率点条件下测量,全钙钛矿串联太阳能电池的开路电压为2.21 V,认证功率转换效率为29.1%。

    在宽带隙钙钛矿(WBG)薄膜研究中,晶体取向控制是提升其性能的关键,主要通过调控添加剂的添加方式与组成来实现

    DA 方法(直接添加剂法):

    将 PEAI 作为直接添加剂加入前驱体溶液。对未退火的薄膜,其(100)/(110)衍射峰强度比与无添加剂的对照薄膜相似,表明对成核或初始晶体生长影响小。但经热退火后,DA 薄膜的该比值是对照薄膜的 1.8 倍,原因是 PEAI 优先在(100)晶面表面锚定,降低了其表面能。从晶体尺寸看,DA 方法使晶体尺寸减小,可能是由于阻碍了小晶体的聚结。在晶体取向控制方面,DA 方法主要影响晶体生长阶段的取向。

    SPA 方法(溶液处理添加剂法):

    把 PEAI 引入反溶剂作为溶液处理添加剂。未退火时就呈现出增强的(100)取向,最终薄膜的(100)/(110)衍射峰强度比显著高于 DA 薄膜。TOF - SIMS 显示 SPA 方法使 PEAI 分布在湿膜表面,而 DA 方法中 PEAI 分布在整个薄膜主体。PL 光谱表明未退火的 SPA 薄膜表面存在 n = 1 钙钛矿相,这些表面二维钙钛矿相比直接添加 PEAI 更能有效调控晶体取向。其原因是钙钛矿成核发生在液 / 气界面,随后向下生长,表面二维钙钛矿提供了异质成核位点,促进了(100)取向晶体的形成,使最终薄膜在面外方向具有更高的(100)取向度。

    M - SPA 方法(混合溶液处理添加剂法):

    鉴于在 MA 钙钛矿表面更易形成 2D/3D 异质结构,采用 MAI 和 PEAI 重量比为 1:2 的混合溶液作为添加剂。未退火的 M - SPA 薄膜在 5.2° 处出现 n = 1 层状钙钛矿的 XRD 峰,2D/3D PL 峰强度比是 SPA 薄膜的 3.2 倍,表明二维模板数量增加。与对照相比,退火后薄膜的(100)/(110)强度比提高了 52 倍,且未添加更多绝缘铵配体,高温下 2D/3D 界面的动态相互作用使溶液处理过程中形成的 2D 相在最终薄膜中消失。通过改变 MAI 和 PEAI 的重量比可优化该方法,找到平衡二维模板形成和三维结构均匀性的最佳比例。与 SPA 方法相比,M - SPA 方法能进一步增强(100)取向,在薄膜表面不同入射角度下都能保持较高比例的(100)取向域,且对刮涂法制备的薄膜同样有效。




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