新加坡南洋理工Nature Energy：高效低维钙钛矿太阳能电池界面工程

金爵 10个月前 (04-21) 1682浏览

一、【导读】

钛矿太阳能电池是利用钙钛矿结构材料作为吸光材料的太阳能电池，属于第三代高效薄膜电池，具有高效率、低成本、高柔性等优势。钙钛矿带隙约为1.5 eV，且调控钙钛矿组分可以调节带隙。单结钙钛矿电池理论光电转换效率极限约33%，高于晶硅电池的29%。另外它的成本低廉，电池核心材料钙钛矿所需原材料储量丰富，价格低廉；而且，可通过温和条件制备，能耗低、制造成本低；此外，钙钛矿具有极高的消光系数，光吸收能力强，对材料的用量非常低。400 nm 厚的薄膜即可吸收紫外-近红外光谱范围内的所有光子，一般来说，钙钛矿电池的钙钛矿层只需做到300~500nm 厚度，与除玻璃外的其它功能层合计能够实现1μm 左右的厚度，35 kg 钙钛矿的发电量就可以与7t 硅（160μm 厚度硅片）相当。预计2023 年，钙钛矿光伏组件产品，百兆瓦级产线阶段成本将控制在1.0-1.5 元/W 之间；1 GW 级时能降到~0.8 元/W；10 GW 级降到~0.6 元/W。另外，应用范围广。钙钛矿太阳能电池，因为薄、柔性化、轻量化，色彩化，透明化等特点，可以用于光伏屋顶，幕墙，建筑一体化等。

和三维钙钛矿相比，二维钙钛矿和二维—三维钙钛矿复合材料具有更好的稳定性。通过改善钙钛矿配方或在前驱体溶液中加入二维钙钛矿溶液，可以有效提高稳定性。

二、【成果掠影】

三维/低维钙钛矿太阳能电池提高了效率和稳定性。低维封盖材料的设计局限于调整A位有机阳离子，因为金属阳离子只有Pb2+和Sn2+两种选择。本文通过处理包含金属和卤化铵的完整前驱体溶液，解锁了具有Pb2+/Sn2+以外的金属阳离子的低维封盖材料库。这使得低维压盖层的合成控制更加容易，在低维界面工程中具有更大的通用性。证明了零维锌基卤代金属酸盐比铅基化合物诱导更强的表面钝化和更强的n-N同型三维/低维异质结。p-i-n太阳能电池效率为24.1%(认证为23.25%)。电池在最大功率点运行>1,000小时后仍能94.5%的初始效率。这项工作由新加坡南洋理工Yeng Ming Lam与Tze Chien Sum教授完成，以标题为：“Expanding the low-dimensional interface engineering toolbox for efficient perovskite solar cells”，发表在2023年的Nature Energy上。

三、【核心创新点】

  1. 通过在3D/LD PSC中处理包含金属和卤化铵的完整前驱体溶液，扩展LD封盖材料体系；
  2. 3D/PEAl或3D/PEA2ZnX4中的特定能级排列有助于构建具有从表面指向本体的附加内置电场的n-N同种型异质结。

四、【数据概览】

图1.3D/LD堆叠膜的制造图和结构表征。© 2023 Nature Energy

图2.LD封盖材料的器件结构和光伏参数演变。© 2023 Nature Energy

图3.光电性能的比较。© 2023 Nature Energy

图4.器件性能和稳定性。© 2023 Nature Energy

五、【成果启示】

通过在3D/LD PSC中处理包含金属和卤化铵的完整前驱体溶液（FP），扩展LD封盖材料体系，解锁了其他3D钙钛矿中的不同的金属阳离子。0 D PEA2ZnX4用作3D钙钛矿的LD封盖材料，引起更稳健的表面钝化并形成更强的n-N同种型异质结。所得的3D/ PEA2ZnX4PSC实现了24.1%的显著改善的PCE（认证的23.25%）和增强的稳定性。以代表性的PEA2PbI4和PEA2ZnX4为例，FP技术还显示出对其他通常研究的LD封端材料的广泛适用性。利用FP技术可能解锁许多其他二价金属阳离子，这对于调节3D/LD界面处的能级对准和/或更有效地增强界面稳定性。

3D/PEAl或3D/PEA2ZnX4中的特定能级排列有助于构建具有从表面指向本体的附加内置电场的n-N同种型异质结。另一方面，n-N同种型异质结处的特定内置电场可能诱导空穴在3D钙钛矿表面处的离开，导致空穴浓度降低，SRH复合速率依赖于少数载流子的表面浓度，这对于减少表面处的SRH复合是有利的。这种效应称为场效应钝化，由于在相应的n-N同种型异质结处相对较大的内建电场，3D/ PEA2ZnX4中可能存在较强的场效应钝化。此外，表面覆盖组分的相对较深的价带最大值还可以在3D钙钛矿层和C60电子传输层之间诱导空穴的势垒，这有效地抑制了由C60的不利带尾态引起的钙钛矿/C60界面处的不期望的复合。3D/ PEA2ZnX4中略高的空穴势垒也有助于更大程度地抑制电荷复合，从而改善器件性能。该发现为低维界面工程和高效三维/低维钙钛矿太阳能电池的稳定扩展了材料库。

原文详情：https://doi.org/10.1038/s41560-023-01204-z

本文由金爵供稿

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