Nat. Commun.：利用單晶鈣鈦礦的低帶隙吸附實現太陽能電池效率達到17.8％

【引言】

有機-無機鹵化物鈣鈦礦（OIHPs）由于具有消光系數大，載流子復合壽命長，載流子遷移率大等優越的光電性能，近年來在太陽能電池的應用引起了極大關注。由于材料質量和器件界面的改善，OIHPs太陽能電池經幾年后的發展效率已經達到了22.1％，但是由于目前鈣鈦礦材料的非優化帶隙，其正在面臨一個瓶頸。

【成果簡介】

近日，北卡羅來納大學黃勁松（通訊作者）團隊表明利用鈣鈦礦單晶的窄帶隙吸收可以縮小它們的有效光學帶隙而不改變組成。通過疏水界面限制橫向晶體生長方法，在空穴傳輸層覆蓋的襯底上直接生長厚度幾十微米的薄甲基三碘化鉛單晶。甲基三碘化鉛單晶太陽能電池的光譜響應延伸到820nm，比相應的多晶薄膜太陽能電池寬20nm。并且不會犧牲開路電壓和填充因子，單晶鈣鈦礦太陽能電池的效率達到了17.8％。相關成果以題為“Thin single crystal perovskite solar cells to harvest below-bandgap light absorption”發表在了Nature Communications上。

【圖文導讀】

圖1 依賴厚度的鈣鈦礦吸收和器件性能

a）來自多晶薄膜的甲基三碘化鉛（MAPbI₃）的帶隙轉變和吸收系數的示意圖

b）計算出不同厚度的MAPbI₃薄膜的吸收

c）單晶太陽能電池的J_sc，V_oc和PCE的理論計算

圖2 鈣鈦礦薄單晶的生長機制

a-d）離子擴散和薄單晶生長之間相關性的示意圖

e,f）使用e）親水性和f）疏水性基底約束間隙中的離子擴散速率的示意圖

g）三碘化甲基三銨（MAPbI₃）前體溶液在不同持續時間后的擴散過程

圖3 鈣鈦礦薄單晶的表征

a,b）甲基三碘化鉛（MAPbI₃）薄單晶a）和三甲基溴化銨（MAPbBr₃）薄單晶b）的照片

c-e）具有不同厚度的MAPbI₃薄單晶的橫截面SEM圖像：c≈10μm，d≈20μm，e≈40μm

f）MAPbI₃薄單晶的X射線衍射圖

g）10μm厚的MAPbI₃薄單晶和500nm厚的多晶薄膜的吸收光譜

【小結】

該研究展示了使用單晶來拓寬鈣鈦礦太陽能電池的光響應范圍而不損失器件光電壓和填充因子。MAPbI₃薄單晶通過疏水界面生長法生長，晶體厚度控制在幾十微米。這項工作為進一步提高鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩定性提供了新的方向。此外，需要做更多的努力來提高載流子擴散長度和鈍化表面非輻射復合中心密度，以便將器件效率提高到SQ極限。

文獻鏈接：Thin single crystal perovskite solar cells to harvest below-bandgap light absorption（Nat. Commun.,2017,DOI:10.1038/s41467-017-02039-5）

本文由材料人新能源組Allen供稿，材料牛整理編輯。

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