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  • 中科院半導體所高效穩定鈣鈦礦太陽能電池研究獲進展

    作者:佚名 來源:半導體研究所 時間:2022-08-01 11:21 閱讀:213 [投稿]
    通過在鈣鈦礦材料中引入少量氯化銣(RbCl),可將常見的引起鈣鈦礦不穩定的二次相PbI2轉化成為全新的熱穩定性和化學穩定性好的(PbI2)2RbCl。

    鈣鈦礦太陽能電池具有成本低、光電轉換效率高等優點。經過十多年的快速發展,鈣鈦礦單結電池效率已超過25%,基于鈣鈦礦的多結疊層電池效率已超過30%,鈣鈦礦太陽能電池被認為是未來頗具應用潛力的光伏技術之一。 

    光電轉換效率是太陽能電池的核心指標之一,為實現高效率的鈣鈦礦太陽能電池,常采用可與鈣鈦礦形成I型異質結能級結構的二次相碘化鉛(PbI2)來阻擋載流子在多晶鈣鈦礦晶界或表面缺陷處復合。此前,中國科學院半導體研究所發現基于二次相PbI2的鈣鈦礦電池較難兼顧效率和穩定性(Advanced Materials,2017,29,1703852),原因在于PbI2二次相的存在或提供了鈣鈦礦分解以及離子移動通道,使鈣鈦礦材料以及電池器件長期穩定性較差,且易產生較大的電滯。因此,如何設計穩定的二次相,既能實現鈍化鈣鈦礦缺陷,又能獲得穩定的鈣鈦礦吸光材料,從而實現既高效又穩定的鈣鈦礦太陽能電池是當前該領域的重要課題之一。 

    近日,半導體所研究員游經碧帶領團隊發現,通過在鈣鈦礦材料中引入少量氯化銣(RbCl),可將常見的引起鈣鈦礦不穩定的二次相PbI2轉化成為全新的熱穩定性和化學穩定性好的(PbI2)2RbCl(簡稱PIRC)(圖1A、B)。研究實現了85oC條件下鈣鈦礦材料熱穩定性大幅度提升,同時鈣鈦礦材料的離子遷移勢壘提高了3倍,離子遷移得到有效抑制(圖1C、D)。此外,研究發現通過抑制PbI2消除了鈣鈦礦/PbI2界面的強限域導致的能帶變大問題,減小了鈣鈦礦材料的帶隙,擴展了對太陽光吸收范圍;讷@得的高穩定性、光吸收擴展的鈣鈦礦材料,該團隊研制出認證效率為25.6%的鈣鈦礦太陽能電池(圖2A),為目前公開發表的單結鈣鈦礦太陽能電池世界最高效率。電池器件1000小時放置和85攝氏度加速老化分別保持初始效率的96%和80%(圖2B、C)。該工作同時實現了鈣鈦礦太陽能電池的高光電轉換效率和高穩定性,為鈣鈦礦電池的進一步發展以及產業化奠定了堅實的基礎。


    圖1.A、具有PIRC二次相鈣鈦礦的掃描電子顯微鏡照片;B、有無PIRC的鈣鈦礦薄膜X射線衍射圖譜(插圖為局部放大圖);C與D分別為有無PIRC的鈣鈦礦電導與溫度關系圖。 


    圖2.A、第三方權威機構美國Newport認證書,認證效率為25.6%,插圖為認證效率曲線;B、有無穩定二次相PIRC器件放置的電流-電壓曲線;C、有無穩定二次相PIRC器件在85oC加速老化下的穩定性。

    相關研究成果以Inactive (PbI2)2RbCl stabilizes perovskite films for efficient solar cells為題,發表在Science上。研究工作得到國家重點研發計劃、國家杰出青年科學基金、中科院創新交叉團隊、國家優秀青年科學基金、中南大學、北京市科學技術委員會,以及中南大學、上海同步輻射光源、武漢大學等的支持。  

    論文鏈接:https://science.org/doi/10.1126/science.abp8873

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