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合肥研究院等提出提高鈣鈦礦太陽電池光電轉(zhuǎn)化效率新策略
2022年03月08日 13:01:43
來源：合肥物質(zhì)科學(xué)研究院 作者：Lani 點(diǎn)擊量：4335
近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所能源材料與器件制造研究部研究員潘旭團(tuán)隊(duì)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授肖正國課題組合作，在鈣鈦礦太陽能電池研究中取得進(jìn)展。
【化工儀器網(wǎng) 時事熱點(diǎn)】近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所能源材料與器件制造研究部研究員潘旭團(tuán)隊(duì)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授肖正國課題組合作，在鈣鈦礦太陽能電池研究中取得進(jìn)展，制備出理想帶隙為1.33 eV的鉛錫混合鈣鈦礦作為太陽能電池吸收層，通過定向錨定策略(STA)對鈣鈦礦空位缺陷進(jìn)行精確鈍化處理，獲得22.51%的光電轉(zhuǎn)化效率(PCE)記錄，光電轉(zhuǎn)化效率有望超越傳統(tǒng)鉛基鈣鈦礦太陽電池。
目前，有機(jī)金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)最高光電轉(zhuǎn)換效率已提高到25.8%(認(rèn)證為25.7%)。傳統(tǒng)的鉛基鈣鈦礦材料的禁帶寬度在1.5 ~ 1.7 eV范圍內(nèi)，根據(jù)Shockley-Queisser(S-Q)模型，當(dāng)吸收層帶隙為1.33 eV時，電池具有最高的理論極限效率。采用Sn部分取代或全部取代Pb可以降低鈣鈦礦帶隙，當(dāng)Sn比例為20%時，帶隙能降至理想值1.33 eV左右。但20%Sn含量是鈣鈦礦帶隙變化的臨界值，其中存在大量的缺陷，導(dǎo)致非輻射復(fù)合造成嚴(yán)重的開路電壓損失(VOC loss)。根據(jù)以往的研究，造成開路電壓損失的具體原因主要有兩個：Sn2+易氧化成Sn4+引起嚴(yán)重的自p摻雜，形成Sn空位并引入額外的p型電荷；Sn與有機(jī)組分的反應(yīng)強(qiáng)于Pb，使得結(jié)晶過程過快和不受控，導(dǎo)致薄膜質(zhì)量較差，缺陷密度增加。
基于此，該研究通過定向選擇錨定策略對鈣鈦礦進(jìn)行鈍化處理，獲得理想帶隙鈣鈦礦太陽能電池22.51%的光電轉(zhuǎn)化效率記錄。研究表明，鉛錫混合鈣鈦礦太陽能電池中雙金屬的缺陷是導(dǎo)致其性能退化的主要原因。因此，研究人員采用2-苯乙胺氫碘酸鹽 (PEAI)和乙二胺氫碘酸鹽 (EDAI)作為共修飾劑對鈣鈦礦進(jìn)行表面處理，分別選擇性錨定與Pb和Sn相關(guān)的活性位點(diǎn)并對兩種金屬缺陷進(jìn)行鈍化。最終，鉛錫混合鈣鈦礦太陽能電池的開路電壓(VOC)從0.79 V大幅提高到0.90 V，開路電壓的損失降低到0.43 V。此外，器件表現(xiàn)出極佳穩(wěn)定性，在氮?dú)馐痔紫渲写鎯?700小時后，仍可保持初始效率的80%。
該研究為鉛錫鈣鈦礦太陽能電池管理金屬雙源缺陷提供了一種有效的鈍化機(jī)制。相關(guān)成果發(fā)表在Advanced Materials 上。研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、安徽省杰出青年基金等項(xiàng)目資助。
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