李孝峰及合作团队Nat. Energy：基于限域退火策略的高效全钙钛矿叠层太阳能电池

大兵哥 1年前 (2022-08-04) 2472浏览

一、【导读】

钙钛矿材料具有宽带隙可调性、可溶液加工性以及低制造成本等优势，为实现高效率和低成本叠层太阳能电池（TSCs）提供了广阔前景。叠层太阳能电池一般包括机械堆叠四端（4-T）叠层和单片集成两端（2-T）叠层等构型，通过减少热化损耗展现出超过单结器件Shockley–Queisser极限的效率潜力。随着研究的推进，4-T和2-T全钙钛矿叠层太阳能电池的光电转换效率（PCE）分别超过了25%和26.4%。然而，目前研究所报道的全钙钛矿叠层太阳能电池的效率仍然落后于其理论预测极限，其主要原因是宽、窄带隙子电池中吸光层内部以及电荷传输层界面等具有较为严重的非辐射复合损失。现在的大多数研究都集中在组分工程、添加剂工程、表界面钝化等方面，通过减少钙钛矿吸光层体表界面处的缺陷来提升器件性能。此外，由于钙钛矿材料的不同组分会影响其结晶过程，造成薄膜生长过程不可控及结晶质量较差等问题，进而严重影响了钙钛矿光伏器件的效率。目前，尚未有普适的结晶调控方法可以同时适用于不同组分钙钛矿薄膜的高质量制备。

二、【成果掠影】

近日，苏州大学李孝峰教授、四川大学赵德威教授、瑞士联邦材料科学与技术研究所（EMPA）付帆博士等人联合报道了一种钙钛矿通用的限域退火策略，该策略可以显著增大了宽、窄带隙钙钛矿薄膜的晶粒尺寸，增强了结晶性并延长了载流子寿命。将钙钛矿中间相薄膜采用膜面朝下的方式倒置于透气性隔膜上进行加热，借助内部残余溶剂在缓慢释放过程中参与结晶生长，通过溶解原有晶界并融合相邻晶粒获得高质量钙钛矿吸光层，为制备高效率单结钙钛矿太阳能电池（PVSC）和全钙钛矿叠层太阳能电池提供了新思路。研究结果表明，通过限域退火策略制备的单结窄带隙电池和宽带隙电池的效率分别达到了21.51%和18.58%，助力4-T和2-T全钙钛矿叠层太阳能电池分别实现了25.15%和25.05%的效率。相关研究成果以题为“A universal close-space annealing strategy towards high-quality perovskite absorbers enabling efficient all-perovskite tandem solar cells”发表在知名期刊Nature Energy上。

三、【核心创新点】

1、开发了限域退火策略，获得高质量的钙钛矿吸光层，该方法对不同组分和不同带隙的钙钛矿成膜生长具有普适性。

2、该策略制备的单结宽、窄带隙钙钛矿电池的效率分别达到18.58%和21.51%，从而使得4-T和2-T全钙钛矿叠层太阳能电池效率分别达到为25.15%和25.05%。

四、【论文掠影】

图一、不同退火工艺方案及相应的钙钛矿薄膜形貌

（a）常规退火、溶剂退火、CSA工艺方案。

（b-d）采用常规退火、溶剂退火和CSA工艺制备的锡铅混合窄带隙钙钛矿薄膜的SEM形貌图。

（e）CSA过程中晶粒生长的机制。

图二、单结窄带隙钙钛矿太阳能电池性能表征

（a-b）不同退火方法制备的钙钛矿薄膜的稳态PL和TRPL结果。

（c）不同退火方式制备钙钛矿薄膜的乌尔巴赫能。

（d）在AM 1.5 G 100 mW cm-2照明下，钙钛矿太阳能电池的正反向电流密度-电压(J-V)曲线。

（e）经CSA、溶剂退火和常规退火得到的PVSCs的EQE光谱响应，积分所得JSC值分别为30.8 mA cm-2、28.4 mA cm-2和29.7 mA cm-2。

（f）VOC随温度的变化。

图三、单结宽带隙钙钛矿太阳能电池性能表征

（a-c）常规退火、溶剂退火和CSA工艺制备的宽带隙钙钛矿薄膜的SEM形貌图。

（d）不同退火方式制备钙钛矿薄膜的TRPL曲线。

（e-f）1个标准太阳光下宽带隙电池的J-V曲线和EQE光谱响应。

图四、4-T和2-T叠层太阳能电池性能

（a）4-T TSCs的J-V曲线。

（b）半透明顶电池和经其过滤后底电池的EQE曲线。

（c）宽带隙顶电池、过滤之后窄带隙底电池的稳态输出功率。

（d）2-T TSCs器件的截面SEM图。

（e）常规退火和CSA法制备的2-T TSCs的J-V曲线对比。

（f）基于CSA方法所制备的2-T TSCs在反扫（正扫）条件下可获得25.05（24.74%）的PCE，各性能参数远优于常规退火叠层器件。

（g）在惰性环境手套箱中1个太阳照射下，2-T TSCs的最大功率点追踪所得稳定输出为24.5%。

（h）未封装的2-T TSCs在惰性环境中的工作稳定性出色，在450 h最大功率点追踪后仍可保留原始PCE的90%。

五、【前景展望】

综上所述，研究人员展示了一种极具前景的限域退火策略，可适用于不同的钙钛矿组分与带隙，以制备晶粒尺寸大、结晶性高和载流子寿命长的高质量钙钛矿吸光层，实现高效的单结器件和全钙钛矿叠层太阳能电池。研究人员揭示了限域退火过程中的钙钛矿生长机理，发现钙钛矿中间相内部残留溶剂在缓慢释放过程中融合相邻晶体来促进晶粒的生长。基于限域退火方法制备的全钙钛矿四端叠层太阳能电池效率达到25.15%，稳态输出功率约为25%；全钙钛矿两端叠层电池效率达到25.05%，器件稳态输出效率为24.5%。进一步研究表明，全钙钛矿两端叠层电池具有良好的工作稳定性，未经封装的叠层器件在惰性气体手套箱中连续工作450小时，最大功率输出仍为原始值的90%。

文献链接：A universal close-space annealing strategy towards high-quality perovskite absorbers enabling efficient all-perovskite tandem solar cells(Nat. Energy2022, DOI: 10.1038/s41560-022-01076-9)

【苏州大学团队介绍】

本团队隶属于苏州大学光电科学与工程学院，依托教育部现代光学技术重点实验室、江苏省先进光学制造技术重点实验室等平台开展工作。团队主要研究先进光电探测技术及应用、第三代高效太阳能电池的设计与制备、光电传感与检测。课题组负责人李孝峰为苏州大学特聘教授，博士生导师，现任苏州大学党委常委、副校长，入选教育部特聘教授（2020）、国家青年特聘专家（2012）等高层次人才计划。兼任光电科学与工程学院院长、苏州大学党委统战部副部长（主持工作）、数码激光成像与显示教育部工程研究中心主任、教育部现代光学技术重点实验室常务副主任。李孝峰2007年1月博士毕业于西南交通大学信息科学与技术学院，获“四川省优秀博士论文奖”和“全国百篇优秀博士论文提名奖”。博士毕业后，在新加坡南洋理工大学和伦敦帝国理工学院工作5年。2012年1月来到苏州大学，承担来自滚球体育 部、国家自然科学基金委、教育部和江苏省等10余个国家和省部级课题。累计在Nature Energy、Advanced Materials、ACS Nano等光电子信息领域期刊发表论文近200篇，做邀请报告/担任分会场主席50余次，担任Science、Science Advances、Advanced Materials等40余个期刊评审专家，获2019年教育部自然科学二等奖、2019年度中国光学学会光学滚球体育 二等奖、2015年首届“江苏青年光学滚球体育 奖”等奖项。指导学生获得江苏省优秀本科论文一等奖、江苏省优秀本科毕业设计团队、江苏省优秀博士/硕士学位论文奖（6篇）、全国光学工程优秀博士论文提名奖（2篇）、江苏省青年光学学生奖、江苏省大学生年度人物提名奖等荣誉。是IEEE、中国光学学会和中国密码学会高级会员，2016至2021年连续六年担任美国光学学会Applied Optics和IEEE Photonics Journal期刊副主编，现为中国光学学会《激光与光电子学进展》、中国光学工程学会《PhotoniX》等期刊编委。

【团队在该领域的工作汇总】

团队实现了光伏与探测器件的光电热多物理耦合仿真，揭示了器件内部能量转换与损耗机制。通过实验制备了高性能单结及叠层钙钛矿太阳能电池，性能超过25%。

【相关优质文献推荐】

  1. Changlei Wang, Yue Zhao, Tianshu Ma, Yidan An, Rui He, Jingwei Zhu, Cong Chen, Shengqiang Ren, Fan Fu*, Dewei Zhao*,Xiaofeng Li*, “A universal close-space annealing strategy towards high-quality perovskite absorbers enabling efficient all-perovskite tandem solar cells”,Nat. Energy10.1038/s41560-022-01076-9, (2022)
  2. Aixue Shang,Xiaofeng Li*, “Photovoltaic Devices: Opto-Electro-Thermal Physics and Modeling”,Adv. Mater.,29(8), 1603492, (2017)
  3. Jian He, Zhenhai Yang, Peipei Liu, Sudong Wu, Pingqi Gao*, Mei Wang, Suqiong Zhou,Xiaofeng Li*, Hongtao Cao, Jichun Ye*, “Enhanced Electro-Optical Properties of Nanocone/Nanopillar Dual-Structured Arrays for Ultrathin Silicon/Organic Hybrid Solar Cell Applications”,Adv. Energy Mater.,6(8), 1501793, (2016)
  4. Yidan An,†Changlei Wang,†Guoyang Cao,Xiaofeng Li*, “Heterojunction Perovskite Solar Cells: Opto-Electro-Thermal Physics, Modeling, and Experiment”,ACS Nano,14(4), 5017-5026, (2020)
  5. Guoyang Cao, Yidan An, Qiaoliang Bao,Xiaofeng Li*, “Physics and Optoelectronic Simulation of Photodetectors Based on 2D Materials”,Adv. Opto. Mater.,7(15), 1900410, (2019)
  6. Sheng Li,†Changlei Wang†,*, Dewei Zhao*, Yidan An, Yue Zhao, Xingzhong Zhao*,Xiaofeng Li*, “Flexible semitransparent perovskite solar cells with gradient energy levels enable efficient tandems with Cu(In,Ga)Se2”,Nano Energy,78, 105378, (2020)
  7. Yidan An, Tianshu Ma,Xiaofeng Li, “Energy Tracing of Photovoltaic Cells”,Sol. RRL,5(7), 2100199, (2021)
  8. Tianshu Ma, Yidan An, Sheng Li, Yue Zhao, Huayang Wang, Changlei Wang*, Stefan A. Maier,Xiaofeng Li*, “Low Band Gap Perovskite Concentrator Solar Cells: Physics, Device Simulation, and Experiment”,ACS Appl. Mater. Interfaces,14(26), 29856-29866, (2022)
  9. Xiaofeng Li*, Nicholas P. Hylton, Vincenzo Giannini, Kan-Hua Lee, Ned J. Ekins-Daukes, Stefan A. Maier, “Multi-dimensional modeling of solar cells with electromagnetic and carrier transport calculations”,Prog. Photovolt: Res. Appl.,21(1), 109-120, (2013)

【四川大学团队介绍】

本团队隶属四川大学材料科学与工程学院太阳能材料与器件研究所，依托后续能源材料与器件教育部工程研究中心。团队主要研究新型薄膜光电材料与器件，在窄带隙钙钛矿太阳能电池和全钙钛矿叠层太阳能电池领域拥有丰富经验和突破性成果。赵德威为四川大学教授、博士生导师，四川省学术与技术带头人，曾入选国家青年人才、四川省杰出青年滚球体育 人才、四川省特聘专家。曾获德国教育滚球体育 部”绿色精英奖(Green Talent)”和中国国家留学基金委“国家优秀自费留学生奖学金”。担任Wiley《SmartMat》和Wiley《Exploration》期刊青年编委。主持和参与国家重点研发计划“政府间国际滚球体育 创新合作”项目、国家自然科学基金面上项目、四川大学工科特色团队项目、四川省滚球体育 厅重点研发计划项目等。发表论文130余篇，以第一作者或通讯作者身份（包含共同）发表论文包括Nature Energy（3篇）、Science、Joule、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.等，高被引论文15篇，热点论文2篇。总引用12000多次，h因子57（谷歌学术）。多次担任Nature、Science、Nature Energy、Joule、Energy & Environmental Science, Advanced Materials等期刊审稿人。

【团队在该领域的工作汇总】

团队报道了窄带隙钙钛矿太阳能电池的首次认证效率为 17%（Newport 认证），率先实现全钙钛矿两端叠层电池效率20%的突破，与合作者通过突破窄带隙钙钛矿结晶调控和掺杂工程等，以及优化中间连接层与叠层结构设计，实现高效全钙钛矿叠层电池效率制备。目前，1 cm2全钙钛矿叠层太阳电池获得26.4%认证效率（JET认证），并被业界权威的“Solar cell efficiency tables”收录，为该面积下同类太阳电池的世界纪录效率。

【相关优质文献推荐】

  1. Changlei Wang, Yue Zhao, Tianshu Ma, Yidan An, Rui He, Jingwei Zhu, Cong Chen, Shengqiang Ren, Fan Fu*, Dewei Zhao*,Xiaofeng Li*, “A universal close-space annealing strategy towards high-quality perovskite absorbers enabling efficient all-perovskite tandem solar cells”,Energy10.1038/s41560-022-01076-9, (2022)
  2. Chongwen Li, Zhaoning Song,* Cong Chen, Chuanxiao Xiao, Biwas Subedi, Steven P. Harvey, Niraj Shrestha, Kamala Khanal Subedi, Lei Chen, Dachang Liu, You Li, Yong-Wah Kim, Chun-sheng Jiang, Michael J. Heben,Dewei Zhao, Randy J. Ellingson, Nikolas J. Podraza, Mowafak Al-Jassim and Yanfa Yan*, “Low-bandgap mixed tin–lead iodide perovskites with reduced methylammonium for simultaneous enhancement of solar cell efficiency and stability”Energy, 5, 768–776 (2020)
  3. Dewei Zhao*, Cong Chen, Changlei Wang, Maxwell M. Junda, Zhaoning Song, Corey R. Grice, Yue Yu, Chongwen Li, Biwas Subedi, Nikolas J. Podraza, Xingzhong Zhao, Guojia Fang, Ren-Gen Xiong, Kai Zhu, Yanfa Yan*, “Efficient two-terminal all-perovskite tandem solar cells enabled by high-quality low-bandgap absorber layers”,Energy,3(12), 1093 (2018)
  4. Dewei Zhao*, Yue Yu, Changlei Wang, Weiqiang Liao, Niraj Shrestha, Corey R. Grice, Alexander J. Cimaroli, Lei Guan, Randy J. Ellingson, Kai Zhu, Xingzhong Zhao, Ren-Gen Xiong, and Yanfa Yan*, “Low-Bandgap Mixed Tin–Lead Iodide Perovskite Absorbers with Long Carrier Lifetimes for All-Perovskite Tandem Solar Cell”,Energy,2, 17018 (2017)
  5. Rui He, Shengqiang Ren*, Cong Chen*, Zongjin Yi, Yi Luo, Huagui Lai, Wenwu Wang, Guanggen Zeng, Xia Hao, Ye Wang, Jingquan Zhang, Changlei Wang, Lili Wu, Fan Fu*,Dewei Zhao*, “Wide-bandgap organic–inorganic hybrid and all-inorganic perovskite solar cells and their application in all-perovskite tandem solar cells”,Energy Environ. Sci., 14, 5723-5759 (2021)
  6. Qiyu Chen,†Jincheng Luo,†Rui He, Huagui Lai, Shengqiang Ren,* Yiting Jiang, Zhenxi Wan, Wenwu Wang, Xia Hao, Ye Wang, Jingquan Zhang, Iordania Constantinou, Changlei Wang, Lili Wu, Fan Fu,*Dewei Zhao*, “Unveiling Roles of Tin Fluoride Additives in High-Efficiency Low-Bandgap Mixed Tin-Lead Perovskite Solar Cells”,Energy Mater, 11, 2101045 (2021)
  7. Aobo Ren,†Huagui Lai,†Xia Hao,* Zeguo Tang, Hao Xu, Bernice Mae F. Yu Jeco, Kentaroh Watanabe, Lili Wu, Jingquan Zhang, Masakazu Sugiyama, Jiang Wu andDewei Zhao,* “Efficient Perovskite Solar Modules with Minimized Non-Radiative Recombination and Local Carrier Transport Losses”,Joule, 4(6), 1263-1277 (2020)
  8. Changlei Wang, Zhaoning Song, Chongwen Li,Dewei Zhao*, Yanfa Yan*, “Low‐Bandgap Mixed Tin‐Lead Perovskites and Their Applications in All‐Perovskite Tandem Solar Cells”,Funct. Mater.,29(47), 1808801, (2019)
  9. Chongwen Li, Zhaoning Song,Dewei Zhao*, Chuanxiao Xiao, Biwas Subedi, Niraj Shrestha, Maxwell M Junda, Changlei Wang, Chun‐Sheng Jiang, Mowafak Al‐Jassim, Randy J Ellingson, Nikolas J Podraza, Kai Zhu, Yanfa Yan*, “Reducing Saturation‐Current Density to Realize High‐Efficiency Low‐Bandgap Mixed Tin–Lead Halide Perovskite Solar Cells”,Energy Mater,1803135, (2018)
  10. Jinhui Tong, Zhaoning Song, Dong Hoe Kim, Xihan Chen, Cong Chen, Axel F Palmstrom, Paul F Ndione, Matthew O Reese, Sean P Dunfield, Obadiah G Reid, Jun Liu, Fei Zhang, Steven P Harvey, Zhen Li, Steven T Christensen, Glenn Teeter,Dewei Zhao, Mowafak M Al-Jassim, Maikel FAM van Hest, Matthew C Beard, Sean E Shaheen, Joseph J Berry, Yanfa Yan*, Kai Zhu*, “Carrier lifetimes of> 1 μs in Sn-Pb perovskites enable efficient all-perovskite tandem solar cells”,Science,364 (6439), 475-479 (2019)

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