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EES:氰基管理實現(xiàn)23.2%效率的低帶隙PSCs

更新時間:2024-12-25      點擊次數(shù):367

前言
本研究深入探討了 PEDOT:PSS 作為電洞傳輸層時,與鈣鈦礦活性層之間的化學反應(yīng)如何導致器件性能損失,并提出了一種新的碘還原劑策略來解決這個問題。

通過添加碘還原劑 (BHC) 到鉛錫混合鈣鈦礦太陽能電池中,實現(xiàn)了23.2%的突破性功率轉(zhuǎn)換效率 (PCE),這也是鉛錫鈣鈦礦太陽能電池的高效率之一。

該研究發(fā)現(xiàn),添加硫氰酸鹽雖然可以提高器件效率,但在潮濕環(huán)境下會形成有毒的CN基,加速器件老化。

本研究揭示了在環(huán)境條件下運行時,控制碘含量是提高鉛錫鈣鈦礦器件效率和穩(wěn)定性的關(guān)鍵。


研究團隊:

本研究由英國薩里大學、倫敦帝國理工學院、中國四川大學、美國國家可再生能源實驗室等多個機構(gòu)的科研人員合作完成。主要作者包括:

第一作者:

·        W. Hashini K. Perera 薩里大學

通訊作者:

共同協(xié)力作者:

·        趙德威老師、Yuliang Xu、Dewei Zhao、Jingwei Zhu 四川大學

·        Yundong ZhouGustavo F. Trindade、Yunlong Zhao 國家物理實驗室 (NPL),

·        Mateus G. Masteghin、Wei ZhangSteven J. Hinder 薩里大學高等技術(shù)研究院

·        Linjie Dai、Samuel D. Stranks、Sanjayan Sathasivam 劍橋大學

·        Steven P. Harvey 美國國家可再生能源實驗室 (NREL)

·        Sandra Jenatsch  Fluxim 股份公司

·        Thomas J. Macdonald 倫敦帝國理工學院化學系


研究背景:

鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs) 因其高效率、低成本等優(yōu)點,近年來備受關(guān)注。然而,器件穩(wěn)定性仍然是制約其商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸。

傳統(tǒng)的鉛基鈣鈦礦太陽能電池效率已經(jīng)突破26.7%,而窄帶隙的鉛錫混合鈣鈦礦太陽能電池效率也達到23.6%,對于實現(xiàn)更高效率的全鈣鈦礦疊層電池至關(guān)重要。

為了提高器件效率和穩(wěn)定性,研究者通常在鈣鈦礦吸光層中添加硫氰酸鹽。雖然硫氰酸鹽有助于提升惰性環(huán)境下的器件穩(wěn)定性,但在環(huán)境條件下,特別是高濕度環(huán)境下,這些器件仍然容易PEDOT:PSS 是一種常用的電洞傳輸材料,但它在與鈣鈦礦材料接觸時會發(fā)生不利的化學反應(yīng),導致器件性能損失。

因此,深入理解 PEDOT:PSS 與鈣鈦礦材料的界面反應(yīng)機制,并找到有效抑制界面反應(yīng)的策略,對于開發(fā)高效穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽能電池具有重要意義。


解決方案:

本研究針對上述問題,提出以下解決方案:


實驗過程與步驟:


                                              EES:氰基管理實現(xiàn)23.2%效率的低帶隙PSCs

本研究采用了以下實驗步驟來驗證提出的解決方案:


研究成果表征:

本研究利用多種表征手段來探究 PEDOT:PSS 與鈣鈦礦界面的化學反應(yīng)以及碘還原劑對器件性能的影響。

A. 電流-電壓特性 (J-V) 和太陽光模擬器:

研究人員首先利用光焱科技SS-X AM1.5G 標準光譜太陽光模擬器和電流-電壓 (J-V) 測量系統(tǒng)評估了不同器件結(jié)構(gòu)的光伏性能,重點關(guān)注開路電壓 (Voc)、短路電流密度 (Jsc)、填充因子 (FF) 和功率轉(zhuǎn)換效率 (PCE) 等關(guān)鍵參數(shù)。

EES:氰基管理實現(xiàn)23.2%效率的低帶隙PSCs

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EES:氰基管理實現(xiàn)23.2%效率的低帶隙PSCs

視頻中使用到光焱科技SS-X AM1.5G 標準光譜太陽光模擬器進行檢測


EES:氰基管理實現(xiàn)23.2%效率的低帶隙PSCs

B. 外量子效率 (EQE) QE-R PV/太陽能電池量子效率光學儀

外量子效率 (EQE) 測量是評估太陽能電池在不同波長光照下產(chǎn)生電荷載流子效率的重要手段。 研究人員利用量子效率測量儀獲得了不同器件結(jié)構(gòu)的 EQE 光譜,并通過積分 EQE 光譜計算了與 Jsc 相對應(yīng)的積分電流密度 (JEQE)。
EES:氰基管理實現(xiàn)23.2%效率的低帶隙PSCs

C. 其他表征:

除了 J-V EQE 測量之外,本研究還采用了以下表征手段來探究器件性能提升的機制:

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研究成果:
EES:氰基管理實現(xiàn)23.2%效率的低帶隙PSCs

本研究的主要成果可以概括如下:

這篇論文的研究結(jié)果表明,透過在 Pb–Sn 鈣鈦礦太陽能電池中加入苯甲酰肼鹽酸鹽 (BHC) 作為碘還原劑,可以有效提升器件的效率和穩(wěn)定性。

添加 BHC 后,器件的最高光電轉(zhuǎn)換效率 (PCE) 達到 23.18%,穩(wěn)態(tài)效率達到 22.87%,相較于未添加 BHC 的對照組器件分別提升了 1.32% 1.23%。

這歸因于 BHC 可以將碘 (I2) 還原為碘離子 (I-), 從而減少載流子復合,提升器件效能1。 此外,添加 BHC 后,器件的 T80 壽命 (即效率衰減至初始值的 80% 所需時間) 也提升了約 66%,達到 83 小時。

這證明了使用 BHC 作為碘還原劑,可以有效提升 Pb–Sn 混合鈣鈦礦太陽能電池的長期穩(wěn)定性。

研究中還發(fā)現(xiàn),硫氰酸鹽添加劑雖然可以透過降低 PEDOT:PSS 的去摻雜現(xiàn)象來提升器件效能, 但在潮濕環(huán)境下會水解產(chǎn)生腐蝕性CN基,加速器件衰減

因此,使用 BHC 作為碘還原劑, 可以有效避免硫氰酸鹽添加劑帶來的穩(wěn)定性問題, Pb–Sn 混合鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展提供了一種新的策略。



文獻參考自Energy & Environmental Science_DOI: 10.1039/D4EE03001J

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