AFM. 華中科大韓宏偉與港中大路新慧團隊 p-MPSCs優(yōu)化研究

更新時間：2024-05-30 點擊次數(shù)：1691

摘要

可印刷介孔鈣鈦礦太陽能電池 (p-MPSCs) 由于其簡單且經(jīng)濟高效的制備工藝，在實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)方面展現(xiàn)出巨大潛力。然而，在 p-MPSCs 中，填充在 TiO2 和 ZrO2 介孔層中的鈣鈦礦薄膜厚度通常達到 3 μm，這使得鈣鈦礦的結(jié)晶過程比一般的平面薄膜 (0.3–0.5 μm) 更復(fù)雜、更具挑戰(zhàn)性。為了克服這一挑戰(zhàn)，華中科技大學的 Hongwei Han 和 Xinhui Lu 研究團隊在 Advanced Functional Materials 期刊上發(fā)表了一項研究成果，他們使用一種多功能氟化分子作為添加劑，有效改善了鈣鈦礦的結(jié)晶過程，提升了器件的效率，并增強了其工作穩(wěn)定性。

本研究推薦使用設(shè)備
TPCV鈣鈦礦太陽能電池瞬態(tài)光電流光電壓測試儀

研究背景與核心概念

鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs) 憑借其高效率、低成本和可印刷性等優(yōu)勢，成為最有希望取代傳統(tǒng)硅基太陽能電池的下一代光伏技術(shù)。近年來，鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs) 的效率不斷攀升，已突破 25% 的瓶頸，但其長期穩(wěn)定性問題仍然是阻礙其商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵因素。

可印刷介孔鈣鈦礦太陽能電池 (p-MPSCs) 由于其簡單的制備工藝和可擴展性，在實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)方面具有顯著優(yōu)勢。然而，在 p-MPSCs 中，由于鈣鈦礦薄膜需要填充在 TiO2 和 ZrO2 介孔層中，其厚度通常達到 3 μm，這使得鈣鈦礦的結(jié)晶過程比一般的平面薄膜 (0.3–0.5 μm) 更復(fù)雜、更具挑戰(zhàn)性。

研究方法與主要發(fā)現(xiàn)

為了解決 p-MPSCs 中的鈣鈦礦結(jié)晶問題，該研究團隊開發(fā)了一種多功能氟化分子 (6FDA) 作為添加劑，以改善鈣鈦礦的結(jié)晶過程，提升器件的效率和穩(wěn)定性。

6FDA 分子具有以下特點：

l缺陷鈍化: 6FDA 的羰基可以與鈣鈦礦中的未配位 Pb2+ 形成強烈的配位作用，從而有效鈍化缺陷，降低非輻射復(fù)合。

l疏水性: 6FDA 的疏水性可以提高器件的抗水性，增強其長期工作穩(wěn)定性。

研究人員將 6FDA 添加到鈣鈦礦前驅(qū)體溶液中，并通過一系列表征手段，包括 X 射線衍射 (XRD)、掃描電子顯微鏡 (SEM)、X 射線光電子能譜 (XPS)、穩(wěn)態(tài)/時間分辨光致發(fā)光光譜 (PL/TRPL) 等，對鈣鈦礦薄膜的結(jié)構(gòu)、形貌和光電性能進行了分析。

為了更深入地了解 6FDA 對器件載流子動力學的影響，研究人員還進行了瞬態(tài)光電流 (TPC) 和瞬態(tài)光電壓 (TPV) 測試。TPC 測量可以評估器件中載流子的傳輸時間，而 TPV 測量可以評估器件的光電壓衰減時間，從而進一步了解載流子復(fù)合和器件穩(wěn)定性。

研究結(jié)果與討論

研究結(jié)果表明，6FDA 的添加顯著提升了 p-MPSCs 的效率和穩(wěn)定性：

提高器件效率: 添加 6FDA 后，鈣鈦礦的結(jié)晶質(zhì)量得到改善，薄膜的均勻性和結(jié)晶度提高，從而提高了器件的效率。小面積器件 (0.1 cm2) 的功率轉(zhuǎn)換效率 (PCE) 達到 20.15%。

增強器件穩(wěn)定性: 6FDA 的疏水性可以有效地阻止水分和氧氣的入侵，提高了器件的工作穩(wěn)定性。未封裝的器件在室溫下存放超過 1000 小時后，其 PCE 仍能保持 80% 以上。

研究人員利用穩(wěn)態(tài) PL 和時間分辨 PL 證實了 6FDA 對鈣鈦礦薄膜的鈍化作用，并通過測試器件的載流子壽命 (TRPL) 和光電壓衰減 (TPV) 說明了 6FDA 對載流子復(fù)合和器件穩(wěn)定性的積極影響。TPC 測試結(jié)果表明，6FDA 的添加可以有效地縮短載流子的傳輸時間，提高了器件的載流子傳輸效率。TPV 測試結(jié)果顯示，添加 6FDA 后，器件的光電壓衰減時間延長，說明了 6FDA 可以有效抑制載流子的復(fù)合，從而提高器件的穩(wěn)定性。

結(jié)論與展望

該研究開發(fā)了一種多功能氟化分子作為添加劑，有效改善了 p-MPSCs 中鈣鈦礦的結(jié)晶過程，并顯著提升了器件的效率和穩(wěn)定性。這項研究為制備高效穩(wěn)定的 p-MPSCs 提供了新的策略，并為 PSCs 的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。

未來，可以通過進一步優(yōu)化添加劑的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，以及結(jié)合其他界面工程策略，進一步提升 p-MPSCs 的性能，推動其在光伏領(lǐng)域的應(yīng)用。

本文參數(shù)圖:

AFM. 華中科大韓宏偉與港中大路新慧團隊 p-MPSCs優(yōu)化研究

Fig. 5_ 展示了 (a) 穩(wěn)態(tài) PL 和 (b) 時間分辨 PL，以及 (c) 器件的瞬態(tài)光電壓衰減曲線，分別針對添加和未添加 6FDA 的 mp-TiO2/玻璃結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦。其重要性: 通過 PL 光譜和光電壓衰減，評估了 6FDA 對鈣鈦礦薄膜光致發(fā)光特性和載流子壽命的影響，并說明了 6FDA 對缺陷鈍化的效果。