華中科技大學(xué)王鳴魁團(tuán)隊(duì)于 Advanced Energy Materials 第30期發(fā)表了一項(xiàng)創(chuàng)新的方法，通過使用具有推拉電子結(jié)構(gòu)配置的π共軛分子來調(diào)節(jié)埋藏界面，從而提高三陽離子鈣鈦礦太陽能電池的開路電壓（Voc）。研究人員在鈣鈦礦太陽能電池中使用了氧化錫納米晶作為電子傳輸層，并發(fā)現(xiàn)新型化學(xué)材料能夠顯著降低界面能障并鈍化埋藏界面的缺陷。這種方法將Cs0.05(FA 0.85 MA0.15)0.95Pb(I 0.85 Br 0.15)3（帶隙約為1.60 eV）鈣鈦礦太陽能電池的開路電壓提高到1.241 V，并且在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到24.16%。當(dāng)使用Cs 0.05 MA0.05 FA0.9 PbI 3（帶隙約為1.54 eV）鈣鈦礦太陽能電池時(shí)，甚至可以達(dá)到更高的效率25.11%。這個(gè)開路電壓是三陽離子鈣鈦礦太陽能電池中最高的，達(dá)到了肖克利-奎瑟極限的95%。此外，研究人員還制作了能量轉(zhuǎn)換裝置，通過將兩個(gè)鈣鈦礦微模塊串聯(lián)起來驅(qū)動二氧化碳電解槽，實(shí)現(xiàn)了11.76%的太陽能到CO的轉(zhuǎn)換效率，這在整合鈣鈦礦光伏進(jìn)行太陽能驅(qū)動的CO2轉(zhuǎn)換方面樹立了一個(gè)新的基準(zhǔn)。

導(dǎo)讀目錄

1.          引言

2.          研究動機(jī)與研究手法

3.          研究成果解析與表征設(shè)備運(yùn)用

研究動機(jī)與研究手法

本研究主要想要解決鈣鈦礦太陽能電池研究中會遇到的瓶頸

1.      開路電壓（Voc）的損失：旨在減少開路電壓的損失，這是提高太陽能電池性能的關(guān)鍵。開路電壓（Voc）的損失：研究旨在減少開路電壓的損失，這是提高太陽能電池性能的關(guān)鍵。

2.      功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）：研究目標(biāo)是提升鈣鈦礦太陽能電池的功率轉(zhuǎn)換效率。

3.      界面缺陷：針對埋藏界面處的缺陷進(jìn)行改善，缺陷會導(dǎo)致非輻射復(fù)合損失。

4.      電荷轉(zhuǎn)移效率：旨在提高電荷轉(zhuǎn)移效率，從而降低界面非輻射載流子復(fù)合。

5.      穩(wěn)定性問題：尋求解決太陽能電池的長期穩(wěn)定性問題。

6.      CO2轉(zhuǎn)換效率：研究旨在提高太陽能到CO的轉(zhuǎn)換效率，這是太陽能電池在再生能源應(yīng)用中的一個(gè)重要方面。

研究團(tuán)隊(duì)針對上述的缺陷觀察后，進(jìn)行了多種的研究程序進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整包含材料的準(zhǔn)備，

1. 界面修飾：制備SnO2-KCl溶液和鈣鈦礦前驅(qū)體溶液，并進(jìn)行界面修飾。

2. 太陽能電池制備：清潔ITO玻璃，沉積SnO2層，旋涂鈣鈦礦前驅(qū)體溶液，并進(jìn)行退火處理。

3. 電池組裝：旋涂BAI溶液和Spiro-OMeTAD作為HTL，沉積P3HT層，以及使用熱蒸發(fā)法沉積金電極。

4. 電池J-V特性和IPCE性能測量，以評估太陽能電池的性能。另進(jìn)行表面形態(tài)和組成分析。

5. PL和TRPL光學(xué)和電學(xué)特性分析，及UPS和XPS分析。

6. 測量PLQY和EQEEL量子效率。
        

7. 電化學(xué)阻抗譜分析和電化學(xué)工作站測量。

8. 缺陷形成能DFT的計(jì)算。

9. 對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并與其他研究進(jìn)行性能比較。

研究成果解析與表征設(shè)備運(yùn)用

本研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種調(diào)節(jié)埋藏界面的方法，使用具有推拉電子結(jié)構(gòu)配置的π共軛分子，特別是C3F7-MA，來鈍化缺陷并降低界面能障。
進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了高達(dá)1.241 V的開路電壓（Voc），這是三陽離子鈣鈦礦太陽能電池中報(bào)告的最高Voc之一。

另外，在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下，達(dá)到了24.16%的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）。
經(jīng)封裝的PSC在連續(xù)1太陽照射1000小時(shí)后，在MPP跟蹤條件下在50-55°C下保持了94.5%的初始PCE，顯示出運(yùn)行穩(wěn)定性。當(dāng)用作CO2還原的電源時(shí)，實(shí)現(xiàn)了11.76%的太陽能到CO的轉(zhuǎn)換效率。

研究過程中使用了大量的表征設(shè)備來進(jìn)行量測，以利后續(xù)的數(shù)據(jù)分析及改善優(yōu)化，方能達(dá)成上述的研究成果，如: X射線光電子能譜（XPS）分析材料表面的化學(xué)組成和電子結(jié)構(gòu)，特別是研究中提到的Pb4f、I3d、Sn3d、F1s和N1s的能譜; 紫外-可見吸收光譜（UV-vis）、掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）、時(shí)間分辨光致發(fā)光譜（TRPL）、光致發(fā)光量子產(chǎn)率（PLQY）、凱爾文探針力顯微鏡（KPFM）等。

其中，研究團(tuán)隊(duì)采用光焱科技Enlitech鈣鈦礦與有機(jī)光伏Voc損耗分析系統(tǒng)(REPS, 又稱ELCT-3010) 藉以達(dá)成了本研究中最關(guān)鍵性的一個(gè)突破記錄 “ 開路電壓（Voc）”的量測。

光焱科技Enlitech REPS 不僅可以檢測極低的 EL-EQE 信號（低至 10-6%，即 8 個(gè)數(shù)量級），還可以計(jì)算熱力學(xué) Voc、輻射復(fù)合 Voc 和非輻射復(fù)合 Voc（通過其軟件 SQ-VLA）。此外，它還可以在一個(gè)柱狀圖中分析不同類型設(shè)備之間的 ΔE1、ΔE2 和 ΔE3 損耗。最重要的是，分析軟件可以幫助用戶將計(jì)算出的 Voc-loss 與設(shè)備 IV 曲線的真實(shí) Voc-loss 進(jìn)行匹配，從而促進(jìn)研究進(jìn)展和期刊發(fā)表。

推薦產(chǎn)品

  REPS Ultra

文獻(xiàn)參考自Advanced Energy Materials 06 August 2024_ DOI: 10.1002/aenm.202402469

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