PCE提升至18.68%！克服準二維鈣鈦礦太陽能電池電壓損失新思路

雖然3D 鈣鈦礦太陽能電池 (perovskite solar cell, PSC) 的功率轉(zhuǎn)換效率 (power conversion efficiency , PCE) 已提高至25.5%，但其穩(wěn)定性不佳不利于商業(yè)化。Ruddlesden-Popper準二維鈣鈦礦由于具有材料穩(wěn)定性和可調(diào)性的優(yōu)點，有望成為替代傳統(tǒng)3D鈣鈦礦的候選材料。然而，準二維PSC有高電壓損失的問題，導致PCE仍落后于3D PSC。2021年9月，Advance Functional Materials (IF 18.808) 刊登了一項來自北京航空航天大學的研究成果，該研究團隊通過使用熱老化前體溶液 (thermal-aged precursor solution, TAPS) 來減輕準2D PSC中的電壓損失。

研究團隊使用光焱科技的太陽光模擬器、QE-R量子效率測量系統(tǒng)、FTPS傅里葉轉(zhuǎn)換光電流系統(tǒng)等儀器協(xié)助量測，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，基于帶隙≈1.60 eV的(AA)2MA4Pb5I16 (n=5)準二維鈣鈦礦吸收體，得到了1.24V創(chuàng)紀錄的開路電壓并將PCE提升至18.6%。

圖表解析

(a)本研究中使用的具有 p-i-n 結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽能電池的料件架構(gòu)示意圖。

用 FPS 和 TAPS 制備的最佳 (AA)2MA4Pb5I16 太陽能電池的光伏參數(shù)。

藉由闡明料件性能與薄膜質(zhì)量之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)降低非輻射復合損失、ΔVoc、nonrad對于增強Voc和提高PCE至關(guān)重要。從機制上講，使用熱老化溶液處理，可以有利地誘導膠體聚集以減少成核位點的數(shù)量。最后可以獲得具有緊湊形態(tài)、優(yōu)先晶體取向和低陷阱密度的高質(zhì)量準二維鈣鈦礦薄膜。另外重要的是，隨著薄膜質(zhì)量的提高，PSC的熱穩(wěn)定性能得到顯著改善，這主要歸功于由離子遷移引起的銀電極腐蝕得到有效的抑制。此研究開辟一條新的加工途徑，可實現(xiàn)高效穩(wěn)定的鈣鈦礦光伏器件和實際的能量轉(zhuǎn)換應用。

光焱科技量子效率測量系統(tǒng)除了用于太陽能電池的 EQE (External Quantum Efficiency) 光譜分析，同時對于太陽能電池在太陽光模擬器下的短路電流，也提供了 Jsc (short-circuit current density) 的比對，以證明實驗的準確性。而太陽光模擬器與 KA-6000 軟件，也同時提供了短路電流對時間變化的監(jiān)控，以證明太陽能電池的穩(wěn)定性。

(a) 基于 FPS 和 TAPS 的太陽能電池的輻照強度相關(guān) Voc 特性。(b) 在基于 FPS/TAPS 的太陽能電池上測量的電致發(fā)光的 EQE。插圖：在正向偏壓狀態(tài)下運行的基于 TAPS 的太陽能電池的 EL 圖像。

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