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表面拋光與鈍化提升鈣鈦礦疊層太陽能電池效率至28.49%

發(fā)表時間:2024/9/9 14:54:26

引言

在探尋高效率太陽能轉(zhuǎn)換技術(shù)的道路上,全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池由于其突破單結(jié)晶太陽能電池效率限制的潛力而備受矚目。然而,其效率提升卻受限于錫-鉛混合窄帶隙鈣鈦礦薄膜中的表面缺陷所引發(fā)的非輻射復(fù)合損失。

華中科技大學(xué)劉宗豪和陳煒于《Nature Communications(26 Aug.DOI 10.1038/ s41467-024-51703-0)提出了一種創(chuàng)新的表面重建策略,透過使用1,4-丁二胺作為化學(xué)拋光劑和乙二胺二碘化物作為表面鈍化劑,有效消除了與錫相關(guān)的缺陷,并對抗有機(jī)陽離子和鹵化物空位的缺陷。這一策略不僅提升了錫-鉛混合鈣鈦礦薄膜的質(zhì)量,還在鈣鈦礦/電子傳輸層界面處最小化了非輻射能量損失。結(jié)果顯示,經(jīng)此改良的錫-鉛混合鈣鈦礦太陽能電池達(dá)到了22.65%23.32%的能量轉(zhuǎn)換效率,而全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池的認(rèn)證能量轉(zhuǎn)換效率更是一舉達(dá)到了28.49%


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導(dǎo)讀目錄

1.    引言

2.    研究目的

3.    研究方法

4.    器件與表征

5.    結(jié)論


研究目的

  1. 開發(fā)一種表面重建策略,以消除Sn–Pb混合鈣鈦礦薄膜中的Sn相關(guān)缺陷,并鈍化有機(jī)陽離子和鹵化物空位缺陷。

  2. 利用化學(xué)拋光劑BDA1,4-丁二胺)和表面鈍化劑EDAI2(乙二胺二碘化物)來提高鈣鈦礦薄膜的表面質(zhì)量。

  3. 減少非輻射能量損失,特別是在鈣鈦礦/電子傳輸層界面處。

  4. 提升Sn–Pb混合鈣鈦礦太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率

  5. 實現(xiàn)兩結(jié)全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池的高認(rèn)證能量轉(zhuǎn)換效率

  6. 通過長時間的最大功率點跟蹤(MPPT)測試,證明經(jīng)過表面改造的太陽能電池具有良好的穩(wěn)定性和耐用性。


研究方法

研究團(tuán)隊的研究重點是提升全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池(TSCs)的能量轉(zhuǎn)換效率(PCE),特別是通過減少Sn–Pb混合鈣鈦礦薄膜表面的非輻射性載流子復(fù)合損失來實現(xiàn)這一目標(biāo)。他們進(jìn)行了一項表面重建策略,使用化學(xué)拋光劑1,4-丁二胺(BDA)和表面鈍化劑乙基二胺二碘化物(EDAI2)來消除Sn相關(guān)的缺陷并鈍化有機(jī)陽離子和鹵化物空位缺陷。

研究團(tuán)隊進(jìn)行的具體步驟包括:

  1. 使用不同濃度的BDA/IPA溶液處理鈣鈦礦表面,以鈍化表面并獲得致密形態(tài)。
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  2. 通過形態(tài)分析來觀察處理后的鈣鈦礦表面變化。

  3. 使用密度泛函理論(DFT)計算來模擬BDASn-rich表面的相互作用。
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  4. 進(jìn)行電子定位函數(shù)(ELF)分析來可視化BDA如何通過Sn-N鍵合來鈍化缺陷。

  5. 使用光致衰減譜(TAS)方法來測量控制和BDA-EDAI2改性PSC的非輻射復(fù)合。

  6. 通過殘余應(yīng)力分析來計算鈣鈦礦表面薄膜上的殘余應(yīng)力。


器件與表征

材料表征

器件表征

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圖片4c說明:
經(jīng)過BDA-EDAI2修飾的全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池的電流密度-電壓特性。圖中顯示了在正向和反向掃描下的性能數(shù)據(jù),并且報告了這些器件在不同掃描方向下的功率轉(zhuǎn)換效率(PCE),分別為28.80%(反向掃描)和28.76%(正向掃描)。這些數(shù)據(jù)表明,BDA-EDAI2修飾顯著提升了器件的光電轉(zhuǎn)換效率,是研究中重要的性能指針。

在進(jìn)行測量時,研究團(tuán)隊會將樣品放置在ELCT-3010儀器中,該儀器能夠提供必要的電壓和電流來激發(fā)樣品發(fā)光,并精確地測量發(fā)光的強(qiáng)度。通過這種方式,研究人員可以計算出EQEEL值,從而了解器件將電能轉(zhuǎn)化為光能的效率。EnlitechELCT-3010產(chǎn)品專門設(shè)計用于這種應(yīng)用,能夠提供準(zhǔn)確和可靠的測量結(jié)果。


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光焱科技Enlitech REPS實際裝機(jī)示意照


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外部量子效率(EQE): 用來評估太陽能電池對不同波長光的轉(zhuǎn)換效率。

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圖片4d
EQE
光譜:顯示WBGNBG子電池的EQE光譜,計算出J_SC分別為15.70 mA/cm215.32 mA/cm2。缺陷密度狀態(tài)(tDOS)分析: 用來分析控制和BDA-EDAI2改性PSC的缺陷能級分布。


結(jié)論

研究團(tuán)隊在這項研究中成功地展示了一種創(chuàng)新的表面重建策略,通過使用1,4-丁二胺(BDA)作為化學(xué)拋光劑,結(jié)合乙二胺二碘化物(EDAI2)作為表面鈍化劑,顯著提升了全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池的效率。我們的策略有效地消除了錫鉛混合鈣鈦礦薄膜中的表面缺陷,并抑制了界面非輻射復(fù)合損失,從而實現(xiàn)了接近理想的功率轉(zhuǎn)換效率。經(jīng)過BDA-EDAI2修飾的器件不僅在小面積測試中達(dá)到了28.49%的認(rèn)證效率,還在長時間的穩(wěn)定性測試中保持了優(yōu)異的性能。這一突破性進(jìn)展不僅為提高鈣鈦礦太陽能電池的效率提供了新的思路,也為未來的光伏技術(shù)發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。我們相信,這一研究將激發(fā)更多關(guān)于表面工程和材料優(yōu)化的探索,推動可再生能源技術(shù)的進(jìn)一步革新。


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文獻(xiàn)參考自Nature Communications 26 Aug._DOI:10.1038/ s41467-024-51703-0

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