摘要
可印刷介孔鈣鈦礦太陽能電池 (p-MPSCs) 由于其簡單且經濟高效的制備工藝,在實現大規(guī)模生產方面展現出巨大潛力。然而,在 p-MPSCs 中,填充在 TiO2 和 ZrO2 介孔層中的鈣鈦礦薄膜厚度通常達到 3 μm,這使得鈣鈦礦的結晶過程比一般的平面薄膜 (0.3–0.5 μm) 更復雜、更具挑戰(zhàn)性。為了克服這一挑戰(zhàn),華中科技大學的 Hongwei Han 和 Xinhui Lu 研究團隊在 Advanced Functional Materials 期刊上發(fā)表了一項研究成果,他們使用一種多功能氟化分子作為添加劑,有效改善了鈣鈦礦的結晶過程,提升了器件的效率,并增強了其工作穩(wěn)定性。
本研究推薦使用設備
TPCV鈣鈦礦太陽能電池瞬態(tài)光電流光電壓測試儀
研究背景與核心概念
鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs) 憑借其高效率、低成本和可印刷性等優(yōu)勢,成為最有希望取代傳統(tǒng)硅基太陽能電池的下一代光伏技術。近年來,鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs) 的效率不斷攀升,已突破 25% 的瓶頸,但其長期穩(wěn)定性問題仍然是阻礙其商業(yè)化應用的關鍵因素。
可印刷介孔鈣鈦礦太陽能電池 (p-MPSCs) 由于其簡單的制備工藝和可擴展性,在實現大規(guī)模生產方面具有顯著優(yōu)勢。然而,在 p-MPSCs 中,由于鈣鈦礦薄膜需要填充在 TiO2 和 ZrO2 介孔層中,其厚度通常達到 3 μm,這使得鈣鈦礦的結晶過程比一般的平面薄膜 (0.3–0.5 μm) 更復雜、更具挑戰(zhàn)性。
研究方法與主要發(fā)現
為了解決 p-MPSCs 中的鈣鈦礦結晶問題,該研究團隊開發(fā)了一種多功能氟化分子 (6FDA) 作為添加劑,以改善鈣鈦礦的結晶過程,提升器件的效率和穩(wěn)定性。
6FDA 分子具有以下特點:
l缺陷鈍化: 6FDA 的羰基可以與鈣鈦礦中的未配位 Pb2+ 形成強烈的配位作用,從而有效鈍化缺陷,降低非輻射復合。
l疏水性: 6FDA 的疏水性可以提高器件的抗水性,增強其長期工作穩(wěn)定性。
研究人員將 6FDA 添加到鈣鈦礦前驅體溶液中,并通過一系列表征手段,包括 X 射線衍射 (XRD)、掃描電子顯微鏡 (SEM)、X 射線光電子能譜 (XPS)、穩(wěn)態(tài)/時間分辨光致發(fā)光光譜 (PL/TRPL) 等,對鈣鈦礦薄膜的結構、形貌和光電性能進行了分析。
為了更深入地了解 6FDA 對器件載流子動力學的影響,研究人員還進行了瞬態(tài)光電流 (TPC) 和瞬態(tài)光電壓 (TPV) 測試。TPC 測量可以評估器件中載流子的傳輸時間,而 TPV 測量可以評估器件的光電壓衰減時間,從而進一步了解載流子復合和器件穩(wěn)定性。
研究結果與討論
研究結果表明,6FDA 的添加顯著提升了 p-MPSCs 的效率和穩(wěn)定性:
提高器件效率: 添加 6FDA 后,鈣鈦礦的結晶質量得到改善,薄膜的均勻性和結晶度提高,從而提高了器件的效率。小面積器件 (0.1 cm2) 的功率轉換效率 (PCE) 達到 20.15%。
增強器件穩(wěn)定性: 6FDA 的疏水性可以有效地阻止水分和氧氣的入侵,提高了器件的工作穩(wěn)定性。未封裝的器件在室溫下存放超過 1000 小時后,其 PCE 仍能保持 80% 以上。
研究人員利用穩(wěn)態(tài) PL 和時間分辨 PL 證實了 6FDA 對鈣鈦礦薄膜的鈍化作用,并通過測試器件的載流子壽命 (TRPL) 和光電壓衰減 (TPV) 說明了 6FDA 對載流子復合和器件穩(wěn)定性的積極影響。TPC 測試結果表明,6FDA 的添加可以有效地縮短載流子的傳輸時間,提高了器件的載流子傳輸效率。TPV 測試結果顯示,添加 6FDA 后,器件的光電壓衰減時間延長,說明了 6FDA 可以有效抑制載流子的復合,從而提高器件的穩(wěn)定性。
結論與展望
該研究開發(fā)了一種多功能氟化分子作為添加劑,有效改善了 p-MPSCs 中鈣鈦礦的結晶過程,并顯著提升了器件的效率和穩(wěn)定性。這項研究為制備高效穩(wěn)定的 p-MPSCs 提供了新的策略,并為 PSCs 的大規(guī)模產業(yè)化應用奠定了堅實的基礎。
未來,可以通過進一步優(yōu)化添加劑的結構和性質,以及結合其他界面工程策略,進一步提升 p-MPSCs 的性能,推動其在光伏領域的應用。
本文參數圖:
Fig. 5_ 展示了 (a) 穩(wěn)態(tài) PL 和 (b) 時間分辨 PL,以及 (c) 器件的瞬態(tài)光電壓衰減曲線,分別針對添加和未添加 6FDA 的 mp-TiO2/玻璃結構的鈣鈦礦。其重要性: 通過 PL 光譜和光電壓衰減,評估了 6FDA 對鈣鈦礦薄膜光致發(fā)光特性和載流子壽命的影響,并說明了 6FDA 對缺陷鈍化的效果。
Fig.S6_展示了添加和未添加 6FDA 的器件的 J-V 曲線(正向掃描)。
重要性: 比較了添加 6FDA 后器件的光伏性能,以及器件的效率提升。
原文出處: ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS
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