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混合沉積法制備效率26.46%的鈣鈦礦/有機(jī)疊層電池及其穩(wěn)定性研究

美能光伏 ? 2025-09-19 09:04 ? 次閱讀
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近年來(lái),鈣鈦礦基疊層太陽(yáng)能電池因理論效率高于單結(jié)電池受關(guān)注,其中寬禁帶(>1.8 eV)鈣鈦礦是提升鈣鈦礦/有機(jī)疊層性能的關(guān)鍵,針對(duì)傳統(tǒng)溶液法使用有毒溶劑且難以規(guī)?;膯?wèn)題,本研究采用綠色、可擴(kuò)展的真空輔助混合沉積工藝,并引入PACI添加劑,有效調(diào)控了鈣鈦礦的面內(nèi)堆疊行為,顯著提高了晶體質(zhì)量和載流子傳輸性能。美能鈣鈦礦最大功率點(diǎn)追蹤測(cè)試儀采用AAA級(jí)LED太陽(yáng)光模擬器作為老化光源,可通過(guò)多種方式對(duì)電池進(jìn)行控溫并控制電池所處的環(huán)境氛圍,進(jìn)行長(zhǎng)期的穩(wěn)定性能測(cè)試。

基于該工藝制備的單結(jié)寬禁帶鈣鈦礦電池效率達(dá)到17.48%,開路電壓超過(guò)1.315 V;進(jìn)一步構(gòu)建的兩端鈣鈦礦/有機(jī)疊層電池效率提升至26.46%(認(rèn)證效率25.82%),并在400小時(shí)連續(xù)運(yùn)行后仍保持90%的初始效率,表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。目前,混合沉積技術(shù)已在鈣鈦礦/硅疊層中實(shí)現(xiàn)超過(guò)32%的效率,且大面積組件效率達(dá)26.3%,充分體現(xiàn)了該方法對(duì)疊層電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的推動(dòng)價(jià)值。

薄膜的制備與晶體結(jié)構(gòu)調(diào)控

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a制備過(guò)程示意圖;b對(duì)照組和 c 目標(biāo)組薄膜的截面SEM圖像;退火過(guò)程中 d 對(duì)照組和 e 目標(biāo)組WBG鈣鈦礦薄膜(100)晶面的原位同步輻射GIWAXS圖;f 退火后對(duì)照組和 g 目標(biāo)組薄膜的GIWAXS圖;h PA分子在(100)和(110)晶面上的計(jì)算結(jié)合能;i 退火過(guò)程中晶體生長(zhǎng)示意圖

采用三源(PbI?、PbBr?、CsBr)共蒸結(jié)合溶液旋涂的混合工藝制備鈣鈦礦薄膜,通過(guò)在有機(jī)陽(yáng)離子溶液中添加10 mol%的PACI調(diào)控晶體生長(zhǎng)。SEM顯示目標(biāo)組薄膜顯示出更好的晶粒質(zhì)量和更少的垂直方向晶界。XRD分析表明兩組均形成良好的鈣鈦礦相,但目標(biāo)組的(100)和(200)晶面織構(gòu)系數(shù)更高(2.44 vs. 2.32),表明晶體取向性增強(qiáng)。原位GIWAXS進(jìn)一步觀察到,PACI的引入引導(dǎo)(100)晶面在退火過(guò)程中逐漸形成高度有序的面朝上堆疊結(jié)構(gòu),而對(duì)照組則始終保持無(wú)序狀態(tài)。這種取向生長(zhǎng)有利于減少晶界和缺陷,促進(jìn)載流子傳輸。

為探究PACI的作用機(jī)制,1H NMR分析發(fā)現(xiàn)PACI在高溫退火后從薄膜中逸出,表明其作為臨時(shí)模板劑發(fā)揮作用。DFT計(jì)算揭示PACI中的PA分子與鈣鈦礦(100)面的結(jié)合能(-1.09 eV)高于(110)面(-0.88 eV),從而優(yōu)先吸附并引導(dǎo)(100)晶面朝外生長(zhǎng)

光學(xué)特性與載流子動(dòng)力學(xué)

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a對(duì)照組和目標(biāo)組鈣鈦礦薄膜的PL光譜;b 共聚焦PL映射圖和 c TRPL測(cè)試結(jié)果;d對(duì)照組和g目標(biāo)組薄膜的AFM形貌圖及相應(yīng)的TP-AFM掃描區(qū)域標(biāo)記(紅色框,100 × 100 nm2);e對(duì)照組和h目標(biāo)組薄膜的TPV載流子復(fù)合壽命映射圖;f 對(duì)照組和 i 目標(biāo)組薄膜的擴(kuò)散長(zhǎng)度映射圖

光致發(fā)光(PL)光譜顯示添加PACI的目標(biāo)組薄膜PL強(qiáng)度顯著增強(qiáng),共聚焦PL映射圖顯示其發(fā)光均勻性更好,時(shí)間分辨PL(TRPL)顯示載流子壽命延長(zhǎng)。空間電荷限制電流(SCLC)測(cè)試表明,目標(biāo)組的缺陷態(tài)密度從對(duì)照組的0.86×101? cm?3降至0.65 × 101? cm?3。

通過(guò)瞬態(tài)光響應(yīng)原子力顯微鏡(TP-AFM)對(duì)納米尺度的載流子動(dòng)力學(xué)進(jìn)行映射。結(jié)果表明,目標(biāo)組在晶粒和晶界區(qū)域的復(fù)合壽命均延長(zhǎng),傳輸時(shí)間縮短。統(tǒng)計(jì)分析顯示,目標(biāo)組中擴(kuò)散長(zhǎng)度(LD)超過(guò)233 nm的載流子比例從43.7%(對(duì)照組)提升至66.8%,增幅超過(guò)20%。證實(shí)了PACI通過(guò)優(yōu)化結(jié)晶質(zhì)量和取向,有效提升了載流子的提取和傳輸效率。此外,目標(biāo)組薄膜在空氣中的相穩(wěn)定性也得到顯著提升。

單結(jié) WBG 鈣鈦礦電池的性能

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a 電流密度-電壓曲線;b 最大功率點(diǎn)(MPP)跟蹤;c EQE曲線及積分電流密度;d-g 不同PACI濃度對(duì)電池性能參數(shù)(PCE, Voc, Jsc, FF)的影響統(tǒng)計(jì)箱線圖

基于優(yōu)化后的薄膜,制備了單結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池(結(jié)構(gòu):Glass / ITO / Me-4PACz / Perovskite / C?? / SnO? / Ag)。目標(biāo)組最優(yōu)電池實(shí)現(xiàn)了17.48%的光電轉(zhuǎn)換效率(PCE),Voc高達(dá)1.315 V,F(xiàn)F為82.33 %,Jsc為16.14 mA/cm2,各項(xiàng)參數(shù)均優(yōu)于對(duì)照組(16.64%)。最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)驗(yàn)證了電池的輸出穩(wěn)定性。外量子效率(EQE)積分電流與J-V測(cè)試結(jié)果一致。高分辨率EQE分析顯示,目標(biāo)組的Urbach能量(Eu)降至19.59 meV (對(duì)照組 20.15 meV),表明薄膜的子帶隙缺陷態(tài)減少,材料有序性得到提升。

鈣鈦礦 / 有機(jī)疊層電池的性能

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a電池的截面SEM圖像;b J-V曲線(活性面積 = 0.05 cm2);c 16個(gè)疊層電池效率的統(tǒng)計(jì)分布;d EQE曲線及各自的積分電流密度;e 由SIMIT認(rèn)證的器件J-V曲線;f 近三年來(lái)報(bào)道的鈣鈦礦/有機(jī)疊層電池效率總結(jié);g 最大功率點(diǎn)(MPP)跟蹤穩(wěn)定性測(cè)試(ISOS-L-1協(xié)議)

將1.84 eV鈣鈦礦作為前電池,與窄帶隙(1.38 eV)有機(jī)子電池(PM6:Y18體系)集成,制備了兩端單片鈣鈦礦/有機(jī)疊層電池(結(jié)構(gòu):ITO / Me-4PACz / Perovskite / C?? / SnO? / ITO / MoO? / Organic / PDINN / Ag)。最優(yōu)疊層電池實(shí)現(xiàn)了26.46 %的效率,Voc高達(dá)2.120 V,F(xiàn)F為82.08%,Jsc為15.21 mA/cm2,且16個(gè)電池的效率分布集中,表現(xiàn)出良好重復(fù)性。EQE測(cè)試顯示兩個(gè)子電池的積分電流密度高度匹配(鈣鈦礦: 14.97 mA/cm2; 有機(jī): 14.93 mA/cm2),證實(shí)了良好的電流平衡,該結(jié)果經(jīng)第三方獨(dú)立認(rèn)證(SIMIT),認(rèn)證效率達(dá)25.82%,是當(dāng)前已報(bào)道的鈣鈦礦/有機(jī)疊層電池的最高效率之一。在ISOS-L-1測(cè)試協(xié)議下,封裝后的疊層電池連續(xù)運(yùn)行400小時(shí)后,仍能保持90%的初始效率,展現(xiàn)了優(yōu)異的運(yùn)行穩(wěn)定性。

本研究成功實(shí)現(xiàn)了 1.84 eV 鈣鈦礦的混合沉積,為 WBG 鈣鈦礦的綠色制備提供了可持續(xù)方案。通過(guò)添加PACl,有效調(diào)控了陽(yáng)離子與鹵化鉛的相互作用,實(shí)現(xiàn)了(100)晶面的主導(dǎo)面朝上堆疊生長(zhǎng)。該疊層電池在 ISOS-L-1 協(xié)議下經(jīng) 400 h MPPT 測(cè)試后,仍保持初始效率的 90%,穩(wěn)定性優(yōu)異。本研究為鈣鈦礦基疊層太陽(yáng)能電池的規(guī)?;l(fā)展提供了切實(shí)可行的設(shè)計(jì)思路。

鈣鈦礦最大功率點(diǎn)追蹤測(cè)試儀

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鈣鈦礦最大功率點(diǎn)追蹤測(cè)試儀采用A+AA+級(jí)LED太陽(yáng)光模擬器作為老化光源,以其先進(jìn)的技術(shù)和多功能設(shè)計(jì),為鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的研究提供了強(qiáng)有力的支持。 3A+光源,真實(shí)還原各場(chǎng)景實(shí)際光照條件

配恒溫恒濕箱,滿足IS0S標(biāo)準(zhǔn)

多型號(hào)電子負(fù)載可選,多通道獨(dú)立運(yùn)行

未封裝器件配氮?dú)鈯A具,防水氧侵蝕

美能鈣鈦礦最大功率點(diǎn)追蹤測(cè)試儀主要應(yīng)用于成品鈣鈦礦單結(jié),疊層成品電池穩(wěn)定性測(cè)試。由于鈣鈦礦電池的輸出特性易受光照、溫度等環(huán)境因素影響,其最大功率點(diǎn)會(huì)頻繁波動(dòng)。MPPT控制器通過(guò)實(shí)時(shí)追蹤并鎖定最大功率點(diǎn),能確保系統(tǒng)始終以最優(yōu)功率輸出。這不僅能最大化發(fā)電量,還能提升整個(gè)光伏系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

原文參考:Regulating wide-bandgap perovskite face-on stacking in hybrid-deposited perovskite/organic tandem solar cells

*特別聲明:「美能光伏」公眾號(hào)所發(fā)布的原創(chuàng)及轉(zhuǎn)載文章,僅用于學(xué)術(shù)分享和傳遞光伏行業(yè)相關(guān)信息。未經(jīng)授權(quán),不得抄襲、篡改、引用、轉(zhuǎn)載等侵犯本公眾號(hào)相關(guān)權(quán)益的行為。內(nèi)容僅供參考,若有侵權(quán),請(qǐng)及時(shí)聯(lián)系我司進(jìn)行刪除。

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