作者:童金辉等 来源:《自然—能源》 发布时间:2022/6/14 11:32:24
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全钙钛矿叠层太阳能电池研究领域获新突破

 

2022年6月13日,美国能源部可再生能源国家实验室(NREL)童金辉、蒋琦、朱凯团队在国际顶尖学术期刊Nature Energy上发表了一篇题为“Carrier control in Sn-Pb narrow-bandgap perovskites via 2D cation engineering for all-perovskite tandem solar cells with improved efficiency and stability”的新研究。

研究团队通过在铅锡窄带隙钙钛矿中引入n=2的准二维钙钛矿作为缺陷钝化材料,实现了铅锡钙钛矿的载流子寿命增加至9.2微秒,达到纯铅钙钛矿的水平。论文通讯作者是童金辉、朱凯;第一作者是童金辉、蒋琦。

叠层太阳能电池是突破单结太阳能电池Shockley-Queisser (S-Q) 效率极限的重要策略,具有降低每瓦电成本的潜在优势,是最具商业化前景的新一代光伏技术。目前,美国可再生能源国家实验室(NREL)创造的叠层太阳能电池的世界最高效率达到了47.1%,然而,实现这类高效率叠层电池需要使用昂贵的III-V族半导体,因其成本高昂,该类叠层电池一直无法实现大规模的地面发电应用。钙钛矿材料由于具有成本低、可溶液加工制备和优异的光电性能等优势,商业价值巨大。目前,通过选用宽带隙(约1.7-1.9 eV)和窄带隙(约1.2 eV)的钙钛矿构筑全钙钛矿叠层太阳能电池已经成为研究热点。

然而,相对于宽带隙钙钛矿子电池,窄带隙钙钛矿由于含有的Sn2+容易被氧化成Sn4+导致自P掺杂,形成Sn空位,导致铅锡钙钛矿的缺陷浓度高、载流子寿命短,光电转化效率低,严重限制了全钙钛矿叠层太阳能电池效率的提高。

为了抑制Sn2+的氧化,提高铅锡钙钛矿的载流子寿命,童金辉、蒋琦和朱凯研究团队通过混合PEA+和GA+,得到一种n=2的准钙钛矿(PEA)2GAPb2I7添加剂。这种n=2的准二维钙钛矿相对于传统n=1的PEA2PbI4和GA2PbI4钙钛矿具有更好的载流子传输特性,可以降低载流子在2D/3D钙钛矿界面之间复合,改善载流子的传输。采用(PEA)2GAPb2I7钝化的铅锡钙钛矿的载流子寿命达到9.2微秒,达到最高效率纯铅钙钛矿的水平。

图1:采用(PEA)2GAPb2I7钝化的铅锡钙钛矿构筑的全钙钛矿叠层太阳能电池的器件性能。

最后,研究团队采用(PEA)2GAPb2I7钝化的铅锡钙钛矿构筑的全钙钛矿叠层太阳能电池的效率达到25.5%,开路电压达到2.121 V,经过第三方独立认证的叠层电池电压也超过了2.11 V。(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41560-022-01046-1

 
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