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(lái)調(diào)節(jié)埋藏界面，從而提高三陽(yáng)離子鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的開路電壓（Voc）。研究人員在鈣鈦礦太陽(yáng)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(yáng)能電池的開路電壓提高到1.241 V，并且在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)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(yáng)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(yáng)離子鈣鈦礦太陽(yáng)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(lái)驅(qū)動(dòng)二氧化碳電解槽，實(shí)現(xiàn)了11.76%的太陽(yáng)能到CO的轉(zhuǎn)換效率，這在整合鈣鈦礦光伏進(jìn)行太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)與研究手法

本研究主要想要解決鈣鈦礦太陽(yáng)能電池研究中會(huì)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(yáng)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(yáng)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(yáng)能電池的功率轉(zhuǎn)換效率。

3.      界面缺陷：針對(duì)埋藏界面處的缺陷進(jìn)行改善，缺陷會(huì)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(yáng)能電池的長(zhǎng)期穩(wěn)定性問題。

6.      CO2轉(zhuǎn)換效率：研究旨在提高太陽(yáng)能到CO的轉(zhuǎn)換效率，這是太陽(yáng)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(duì)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(yáng)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(cè)量，以評(píng)估太陽(yáng)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(cè)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(cè)量。

8. 缺陷形成能DFT的計(jì)算。

9. 對(duì)測(cè)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(lái)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(yáng)離子鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中報(bào)告的最高Voc之一。

另外，在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)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(yáng)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(yáng)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(lái)進(jìn)行量測(cè)，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(cè)。

光焱科技Enlitech REPS 不僅可以檢測(cè)極低的 EL-EQE 信號(hào)（低至 10-6%，即 8 個(gè)數(shù)量級(jí)），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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