一、导读

有机-无机杂化钙钛矿的带隙可调性使其适合应用于单节点和多节点太阳能电池。基于钙钛矿的串联太阳能电池大大提高了功率转换效率(PCEs)。作为串联器件的顶部子单元,宽带隙(WBG)钙钛矿的作用是收集高能光子,贡献高开路电压(Voc),并过滤到达底部的有害紫外线,从而使串联堆栈稳定运行。WBG钙钛矿通常基于Br -I混合卤化物,具有高的Br含量。原则上,添加更多Br应使钙钛矿吸收体更加稳定。然而,混合卤化物的钙钛矿在工作条件下(暴露于光和热)容易发生相分离,产生的大量Voc缺陷大大降低其运行稳定性,限制WBG钙钛矿太阳能电池(PSC)的PCEs。怎样解决其稳定性问题是一重大挑战。

二、成果掠影

近日,来自美国再生能源实验室(NREL)化学与纳米科学中心的资深科学家朱凯与童金辉研究研究员将快速Br结晶与温和气淬法相结合,制备了缺陷密度较低的具有较强织构的柱状1.75电子伏Br – I混合WBG钙钛矿薄膜。通过这种方法,获得了1.75 eV的WBG PSCs,其功率转换效率大于20%,开路电压约为1.33 V(Voc),并且具有良好的运行稳定性(在65°C的1.2太阳下运行1100小时降解小于5%)。当进一步与1.25 eV窄带隙PSC集成时,本工作进一步获得了27.1%的高效全钙钛矿双端串联器件,具有2.2 V的高Voc。相关成果以“Compositional texture engineering for highly stable wide-bandgap perovskite solar cells”为题发表在最新一期国际顶刊Science上。

三、核心创新点

(1) 将快速Br结晶与温和的气淬方法相结合,制备强织构、缺陷密度低的Br-I混合WBG钙钛矿薄膜;

(2) 发明全钙钛矿双端串联器件,具有2.2伏特的高Voc;

 

四、数据概览

1 气淬法制备的1.75 ev WBG PSCs器件特性;(A)正向扫描和反向扫描下WBG PSC的J-V曲线。(B)确定带隙的相应外部量子效率(EQE);(C、D)不同温度N2连续光照下设备长期运行稳定性;(C)一个单元在0.8太阳下25°C时效2560小时,然后在55°C时效890小时;(D)一个单元在1.2太阳下,65°C, 时效1100小时。© 2022 AAAS

2 WBG钙钛矿的结构性质;(A-C)采用(A)抗溶剂和[(B)和(C)]气淬法制备FA0.6Cs0.3DMA0.1Pb(I0.7Br0.3)3钙钛矿薄膜的SEM俯视图;(D,E)用(D)抗溶剂法和(E)气淬法制备的WBG钙钛矿薄膜的截面SEM图像;(F)抗溶剂法和气淬法制备WBG钙钛矿薄膜的XRD谱图;(G)共表面解理能的计算。© 2022 AAAS

3 瞬态吸收(TA)测量;(A-B)用抗溶剂[(A)-(C)]和气淬[(B)-(D)]方法制备的WBG钙钛矿薄膜在不同泵浦后延迟时间下的TA结果和(C和D) TA光谱的伪彩色表示. © 2022 AAAS

4 缺陷辅助扩散势垒的光电特性及计算;(A)通过TRMC测量获得的最低吸收泵注量的光电导(fSm)瞬态;(B)光电导率与激发强度的函数关系;(C)抗溶剂法和气淬法制备钙钛矿膜PSCs的暗J-V曲线。(D-G)几种常见缺陷的扩散能垒计算。© 2022 AAAS

5 串联装置;(A)采用气淬基1.75 ev WBG PSC型钙钛矿串联太阳能电池的J-V曲线。按金属孔径定义,该装置面积为0.059 cm2;(B) MPP附近相应的SPO效率。窄带隙底电池基于1.25 ev Sn-Pb钙钛矿(FA0.6MA0.4Sn0.6Pb0.4I3);(C)在N2中~35°C下连续~0.8太阳光照下串联装置的长期稳定性。串联装置在1825小时后仍保持约81%的最高效率。© 2022 AAAS

 

五、成果启示

本体和表面缺陷最小化的高质量WBG钙钛矿薄膜可以抑制设备中的Br-I相分离。这一中心思想指导了这项优异的工作,挖掘了高性能、全钙钛矿串联器件的潜力,而且对于其他基于钙钛矿的串联结构的开发也极具借鉴意义;

 

 

原文详情:https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf0194