科研專欄 / ENLITECH
作者：北京航空航天大學 張淵課題組
DOI: 10.1002/adfm.202107675
雖然3D 鈣鈦礦太陽能電池 (perovskite solar cell, PSC) 的功率轉換效率 (power conversion efficiency , PCE) 已提高至25.5%，但其穩定性不佳不利于商業化。Ruddlesden-Popper準二維鈣鈦礦由于具有材料穩定性和可調性的優點，有望成為替代傳統3D鈣鈦礦的候選材料。然而，準二維PSC有高電壓損失的問題，導致PCE仍落后于3D PSC。2021年9月，Advance Functional Materials (IF 18.808) 刊登了一項來自北京航空航天大學的研究成果，該研究團隊通過使用熱老化前體溶液 (thermal-aged precursor solution, TAPS) 來減輕準2D PSC中的電壓損失。
研究團隊使用光焱科技的太陽光模擬器、QE-R量子效率測量系統、FTPS傅里葉轉換光電流系統等儀器協助量測，研究結果發現，基于帶隙≈1.60 eV的(AA)2MA4Pb5I16 (n=5)準二維鈣鈦礦吸收體，得到了1.24V創紀錄的開路電壓并將PCE提升至18.6%。
圖表解析
(a)本研究中使用的具有 p-i-n 結構的鈣鈦礦太陽能電池的料件架構示意圖。
用 FPS 和 TAPS 制備的最佳 (AA)2MA4Pb5I16 太陽能電池的光伏參數。
藉由闡明料件性能與薄膜質量之間的關系，發現降低非輻射復合損失、ΔVoc、nonrad對于增強Voc和提高PCE至關重要。從機制上講，使用熱老化溶液處理，可以有利地誘導膠體聚集以減少成核位點的數量。最后可以獲得具有緊湊形態、優先晶體取向和低陷阱密度的高質量準二維鈣鈦礦薄膜。另外重要的是，隨著薄膜質量的提高，PSC的熱穩定性能得到顯著改善，這主要歸功于由離子遷移引起的銀電極腐蝕得到有效的抑制。此研究開辟一條新的加工途徑，可實現高效穩定的鈣鈦礦光伏器件和實際的能量轉換應用。
光焱科技量子效率測量系統除了用于太陽能電池的 EQE (External Quantum Efficiency) 光譜分析，同時對于太陽能電池在太陽光模擬器下的短路電流，也提供了 Jsc (short-circuit current density) 的比對，以證明實驗的準確性。而太陽光模擬器與 KA-6000 軟件，也同時提供了短路電流對時間變化的監控，以證明太陽能電池的穩定性。
(a) 基于 FPS 和 TAPS 的太陽能電池的輻照強度相關 Voc 特性。(b) 在基于 FPS/TAPS 的太陽能電池上測量的電致發光的 EQE。插圖：在正向偏壓狀態下運行的基于 TAPS 的太陽能電池的 EL 圖像。
本文關鍵詞：
準二維鈣鈦礦太陽能電池、quasi-2D perovskite solar cell、熱老化溶液處理、hermal-aged precursor solution、電壓損失、voltage loss、太陽光模擬器、Solar Simulator、量子效率、Quantum Efficiency、FTPS、Sun Simulator
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