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2020年1月22日
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現代工程與應用科學學院譚海仁課題組在鈣鈦礦太陽能電池領域取得新進展

近日,現代工程與應用科學學院譚海仁教授課題組在界面鈍化技術制備高效鈣鈦礦太陽能電池方向取得新進展,相關成果以“Simultaneous Contact and Grain-Boundary Passivation in Planar Perovskite Solar Cells Using SnO2欧美高清videosedexohd-KCl Composite Electron Transport Layer ”為題于12月05日在線發表于《Advanced Energy Materials》()。

鈣鈦礦太陽能電池,是利用有機無機雜化金屬鹵化物鈣鈦礦材料作為吸光層的新型太陽能電池,具有低成本,易制備,高性能等顯著優勢,是目前國際上研究的熱點。鈣鈦礦電池的光電轉化效率發展迅速,由2009年的3.8% 提升到2019年的25.2%,在光伏領域具有極大的競爭潛能。盡管效率已超過25%,但相較于其理論極限(S-Q 極限),鈣鈦礦電池依然有一定的差距,尤其是在開路電壓方面。效率的損耗與鈣鈦礦電池中存在的缺陷密切相關,這些缺陷增加了非輻射復合的占比,降低了載流子的利用率。經研究表明,電池中的缺陷多集中在鈣鈦礦材料的晶界以及與傳輸層材料的接觸界面上。因此,合理地利用鈍化技術減少缺陷有利于電池性能的進一步提升。

欧美高清videosedexohd在n-i-p結構的鈣鈦礦電池中,現有工作多集中于鈍化鈣鈦礦層與空穴傳輸層接觸的頂界面,因為旋涂空穴傳輸層的所選溶劑與鈍化層相匹配,破壞較小可行性高。相對地,由于鈣鈦礦所采用的極性溶劑與鈍化層的不匹配性,底層界面(即鈣鈦礦層與電子傳輸層的界面)的鈍化技術相關研究較少。

欧美高清videosedexohd針對這一問題,譚海仁課題組借鑒了前期相關工作基礎(DOI: 10.1126/science.aai9081),將穩定的無機物氯化鉀加入到電子傳輸層二氧化錫納米晶中。留于電子傳輸層表面的鉀離子和氯離子可以鈍化該界面,減小缺陷態導致的非輻射復合,提高載流子的抽取能力。同時,存于電子傳輸層表面的鉀離子在上層鈣鈦礦薄膜的旋涂與退火的過程中,能夠部分地擴散至鈣鈦礦膜層中,并聚集于鈣鈦礦晶界處。此處的鉀離子可以顯著降低缺陷密度,提升輻射復合的比例。由于非輻射復合的抑制以及更高效的載流子抽取能力,該策略將電池的開路電壓由最初的1.077V 提升到1.137V,電池效率從20.2% 提升到22.2% (如圖一所示)。

欧美高清videosedexohd圖1,(a)鈣鈦礦電池結構及鈍化策略示意圖;(b)鈍化與未鈍化電池的電流-電壓曲線對比。

欧美高清videosedexohd該方法能夠同時實現鈣鈦礦電池底層界面以及晶界處缺陷的鈍化,簡單易行,適用于大規模的生產制備,可為進一步提高鈣鈦礦電池效率提供有效指導。現代工程與應用科學學院15級直博生朱鵬臣和17級博士研究生顧帥為本文的共同第一作者,現代工程與應用科學學院譚海仁教授為本文的通訊作者。本工作得到了現代工程與應用科學學院朱嘉教授、電子科學與工程學院黎松林教授的合作指導;該工作還得到了科技部國家重點研究計劃、國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金和固體微結構物理國家重點實驗室、江蘇省功能材料設計原理與應用技術重點實驗室的支持。

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