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南京大学破解钙钛矿电池效率、稳定性相互制约的难题
军工资源网    2020-02-12 04:02:40    文字:【】【】【
近日,南京大学现代工程与应用科学学院谭海仁教授课题组与多伦多大学Edward Sargent教授团队合作发表了窄带隙钙钛矿及全钙钛矿叠层太阳能电池的最新研究成果,该成果以《Combining Efficiency and Stability in Mixed Tin-Lead Perovskite Solar Cells by Capping Grains with an Ultrathin 2D Layer》为题,在Advanced Materials上发表(https://doi.org/10.1002/adma.201907058)。


图1. 与表面钝化相比,在反溶剂中添加苯乙胺提升钙钛矿内部的均匀钝化。


叠层太阳能电池是一种获得更高光电转换效率的光伏技术。在全钙钛矿串联叠层太阳能电池中,Sn-Pb混合的窄带隙钙钛矿(Eg≈1.2 eV)由于缺陷态密度高、易氧化等特点,限制了叠层电池的光电转换效率和器件的稳定性板。尽管之前有研究报道称,在Sn-Pb窄带隙中采用Cs-FA二元混合阳离子可以有效提高电池的稳定性,然而报道的CsFA单结Sn-Pb窄带隙太阳能电池效率普遍较低(<17%)。本研究工作中,通过采用Cs-FA-MA三元混合阳离子的策略,有望进一步提升Sn-Pb窄带隙电池的效率和稳定性。


基于此,谭海仁课题组与Sargent教授团队开展合作研究,提出一种利用超薄层二维钙钛矿将Sn-Pb钙钛矿晶粒包裹的方法,可以有效地解决电池效率-稳定性二者之间相互制约的难题。二维钙钛矿的存在一般在电池中会阻碍载流子的传输,较低器件的填充因子。本工作中通过在反溶剂中直接引入长链的苯乙胺配体,在Sb-Pb钙钛矿薄膜的表面和晶界处生长了超薄二维钙钛矿钝化层,有效降低了钙钛矿膜表面和晶界处的缺陷态密度;钝化后的Sn-Pb钙钛矿并没有明显的二维钙钛矿相的生成,与常规的表面钝化策略相比,反溶剂中引入苯乙胺钝化配体能在钙钛矿薄膜的表面和晶界处均匀分布,起到整体均匀钝化的作用,同时避免了较厚二位钙钛矿层的形成。


图2. 优化钙钛矿层厚度后单节Pb-Sn钙钛矿电池获得了19.4%的光电转换效率,结合宽带隙钙钛矿制备的串联型全钙钛矿叠层电池效率达到23.7 %(稳态效率23.5%)。


优化后的单结Sn-Pb钙钛矿电池获得了19.4%的光电转换效率(Newport认证效率 18.95%),填充因子达到79%。该器件与未钝化的器件相比,在AM1.5G全光谱光照下,工作寿命可以提高200倍;在宽带隙滤光光照下,也能实现200小时的持续稳定工作。结合1.77eV宽带隙钙钛矿和ALD-SnO2/Au隧穿复合结制备全钙钛矿串联叠层太阳能电池,获得了23.7%(稳态23.5%)的光电转换效率,在最大功率输出条件下工作65小时后,器件仍保持95%以上的初始效率。


多伦多大学博士生魏明扬和现代工学院科研助理肖科(现为19级电子学院与现代工学院联合培养博士生)为文章的共同第一作者,谭海仁教授和Sargent教授为共同通讯作者。本工作得到了现代工学院朱嘉教授和李爱东教授的合作指导;该工作还得到了科技部国家重点研究计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、中组部青年千人计划项目、安大略省-江苏省产业合作项目的资助;固体微结构物理国家重点实验室、江苏省功能材料设计原理与应用技术重点实验室提供了大力的支持。

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