新加坡南洋理工Nature Energy：高效低維鈣鈦礦太陽能電池界面工程

Alice123 3個月前 (04-21) 1149瀏覽

一、【導讀】

? ? ? ? 鈦礦太陽能電池是利用鈣鈦礦結構材料作為吸光材料的太陽能電池，屬于第三代高效薄膜電池，具有高效率、低成本、高柔性等優勢。鈣鈦礦帶隙約為1.5 eV，且調控鈣鈦礦組分可以調節帶隙。單結鈣鈦礦電池理論光電轉換效率極限約33%，高于晶硅電池的29%。另外它的成本低廉，電池核心材料鈣鈦礦所需原材料儲量豐富，價格低廉；而且，可通過溫和條件制備，能耗低、制造成本低；此外，鈣鈦礦具有極高的消光系數，光吸收能力強，對材料的用量非常低。400 nm 厚的薄膜即可吸收紫外-近紅外光譜范圍內的所有光子，一般來說，鈣鈦礦電池的鈣鈦礦層只需做到300~500nm 厚度，與除玻璃外的其它功能層合計能夠實現1μm 左右的厚度，35 kg 鈣鈦礦的發電量就可以與7t 硅（160μm 厚度硅片）相當。預計2023 年，鈣鈦礦光伏組件產品，百兆瓦級產線階段成本將控制在1.0-1.5 元/W 之間；1 GW 級時能降到~0.8 元/W；10 GW 級降到~0.6 元/W。另外，應用范圍廣。鈣鈦礦太陽能電池，因為薄、柔性化、輕量化，色彩化，透明化等特點，可以用于光伏屋頂，幕墻，建筑一體化等。

? ? ? ? 和三維鈣鈦礦相比，二維鈣鈦礦和二維—三維鈣鈦礦復合材料具有更好的穩定性。通過改善鈣鈦礦配方或在前驅體溶液中加入二維鈣鈦礦溶液，可以有效提高穩定性。

二、【成果掠影】

? ? ? ? 三維/低維鈣鈦礦太陽能電池提高了效率和穩定性。低維封蓋材料的設計局限于調整A位有機陽離子，因為金屬陽離子只有Pb2+和Sn2+兩種選擇。本文通過處理包含金屬和鹵化銨的完整前驅體溶液，解鎖了具有Pb2+/Sn2+以外的金屬陽離子的低維封蓋材料庫。這使得低維壓蓋層的合成控制更加容易，在低維界面工程中具有更大的通用性。證明了零維鋅基鹵代金屬酸鹽比鉛基化合物誘導更強的表面鈍化和更強的n-N同型三維/低維異質結。p-i-n太陽能電池效率為24.1%(認證為23.25%)。電池在最大功率點運行>1,000小時后仍能94.5%的初始效率。這項工作由新加坡南洋理工Yeng Ming Lam與Tze Chien Sum教授完成，以標題為：“Expanding the low-dimensional interface engineering toolbox for efficient perovskite solar cells”，發表在2023年的Nature Energy上。

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三、【核心創新點】

  1. 通過在3D/LD PSC中處理包含金屬和鹵化銨的完整前驅體溶液，擴展LD封蓋材料體系；
  2. 3D/PEAl或3D/PEA2ZnX4中的特定能級排列有助于構建具有從表面指向本體的附加內置電場的n-N同種型異質結。

四、【數據概覽】

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圖1.3D/LD堆疊膜的制造圖和結構表征。? 2023 Nature Energy

圖2.LD封蓋材料的器件結構和光伏參數演變。? 2023 Nature Energy

圖3.光電性能的比較。? 2023 Nature Energy

圖4.器件性能和穩定性。? 2023 Nature Energy

五、【成果啟示】

? ? ? ? 通過在3D/LD PSC中處理包含金屬和鹵化銨的完整前驅體溶液（FP），擴展LD封蓋材料體系，解鎖了其他3D鈣鈦礦中的不同的金屬陽離子。0 D PEA2ZnX4用作3D鈣鈦礦的LD封蓋材料，引起更穩健的表面鈍化并形成更強的n-N同種型異質結。所得的3D/ PEA2ZnX4 PSC實現了24.1%的顯著改善的PCE（認證的23.25%）和增強的穩定性。以代表性的PEA2PbI4和PEA2ZnX4為例，FP技術還顯示出對其他通常研究的LD封端材料的廣泛適用性。利用FP技術可能解鎖許多其他二價金屬陽離子，這對于調節3D/LD界面處的能級對準和/或更有效地增強界面穩定性。

? ? ? ? 3D/PEAl或3D/PEA2ZnX4中的特定能級排列有助于構建具有從表面指向本體的附加內置電場的n-N同種型異質結。另一方面，n-N同種型異質結處的特定內置電場可能誘導空穴在3D鈣鈦礦表面處的離開，導致空穴濃度降低，SRH復合速率依賴于少數載流子的表面濃度，這對于減少表面處的SRH復合是有利的。這種效應稱為場效應鈍化，由于在相應的n-N同種型異質結處相對較大的內建電場，3D/ PEA2ZnX4中可能存在較強的場效應鈍化。此外，表面覆蓋組分的相對較深的價帶最大值還可以在3D鈣鈦礦層和C60電子傳輸層之間誘導空穴的勢壘，這有效地抑制了由C60的不利帶尾態引起的鈣鈦礦/C60界面處的不期望的復合。3D/ PEA2ZnX4中略高的空穴勢壘也有助于更大程度地抑制電荷復合，從而改善器件性能。該發現為低維界面工程和高效三維/低維鈣鈦礦太陽能電池的穩定擴展了材料庫。

原文詳情：https://doi.org/10.1038/s41560-023-01204-z

本文由金爵供稿

 

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