寧波材料所在高效穩(wěn)定鈣鈦礦太陽電池的界面設(shè)計(jì)方面取得研究進(jìn)展
鈣鈦礦太陽電池成本低、光電轉(zhuǎn)換效率高，被認(rèn)為是新一代光伏技術(shù)之一。研發(fā)高效、穩(wěn)定、可大面積制備的鈣鈦礦太陽電池技術(shù)是目前主要的發(fā)展目標(biāo)，這通常需要對界面能級結(jié)構(gòu)和缺陷密度進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)控，特別是對于正置結(jié)構(gòu)（n-i-p結(jié)構(gòu)）來說，其空穴傳輸層材料（spiro-OMeTAD）與鈣鈦礦的能級失配、制備過程中產(chǎn)生的表面缺陷均會導(dǎo)致嚴(yán)重的非輻射復(fù)合損失。因此，理解界面能級位置、缺陷密度以及器件性能的定量關(guān)系，以及開發(fā)合適的界面調(diào)控材料至關(guān)重要。
鑒于此，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所所屬新能源技術(shù)研究所葉繼春研究員帶領(lǐng)硅基太陽能及寬禁帶半導(dǎo)體團(tuán)隊(duì)，基于前期對鈣鈦礦太陽電池的研究（Energy Environ. Sci., 2020, 13, 1753；Adv. Funct. Mater. 2021, 32, 2110698；Adv. Mater. 10.1002/adma.202211962；Joule 2022, 6 , 2644；Nat. Commun. 2023, 14, 2166；ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 36727；J. Mater. Chem. A, 2023,11, 6556；J. Mater. Chem. A, 10.1039/d3ta00500c），在高效穩(wěn)定鈣鈦礦太陽電池的界面調(diào)控方面取得了新的研究進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)基于2D/3D鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)設(shè)計(jì)，研究發(fā)現(xiàn)0.2 eV的界面能級差（Energy Offset）可將器件對界面缺陷容忍度提高3個數(shù)量級，揭示了鈣鈦礦太陽電池界面場鈍化和化學(xué)鈍化的定量關(guān)系。進(jìn)一步地，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，通過設(shè)計(jì)2D鈣鈦礦中鹵素的種類，可實(shí)現(xiàn)對鈣鈦礦界面能級差的可控調(diào)節(jié)，并且形成的2D鈣鈦礦可顯著鈍化鈣鈦礦的表面缺陷和抑制的離子遷移?；诖?，通過優(yōu)選2D鈣鈦礦前驅(qū)體，制備得到了效率達(dá)到25.32%的小面積電池（認(rèn)證效率為25.04%）和21.48%的大面積小組件電池（29cm2），并表現(xiàn)出出色的穩(wěn)態(tài)輸出穩(wěn)定性，在最大功率點(diǎn)下連續(xù)輸出2000小時后仍然保持了初始效率的90%。該研究成果為開發(fā)合適的界面調(diào)控方法，制備高效、穩(wěn)定、大面積的鈣鈦礦太陽電池提供了理論和實(shí)驗(yàn)參考。
該結(jié)果以“Visualizing Interfacial Energy Offset and Defects in Efficient 2D/3D Heterojunction Perovskite Solar Cells and Modules”為題發(fā)表于Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.202302071）。寧波材料所2018級碩博連讀生楊偉創(chuàng)、瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院博士后丁斌、北京大學(xué)深圳研究生院博士后林則東為共同第一作者，寧波材料所葉繼春研究員、盛江副研究員、楊陣海，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院Mohammad Khaja Nazeeruddin教授為共同通訊作者。該研究得到了國家重點(diǎn)研究與開發(fā)項(xiàng)目（Grant No. 2018YFB1500103）、國家自然科學(xué)基金（Grant No. 62004199）、江蘇省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（Grant No. BE2022026-2）等項(xiàng)目的支持。
圖1 基于鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)設(shè)計(jì)的界面能級差、缺陷密度與器件性能的定量關(guān)系
圖2 2D/3D鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)設(shè)計(jì)的光電性能
圖3 2D鈣鈦礦中鹵素比例和種類對器件性能的影響
圖4 基于2D/3D鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)設(shè)計(jì)的高效穩(wěn)定鈣鈦礦太陽電池
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