Science重磅:陰離子工程助力26.7%效率的鈣鈦礦/矽串聯電池

2021-01-17 騰訊網

研究背景

要使超過Shockley-Queisser單節電池極限的鈣鈦礦/矽串聯太陽能電池的光電轉換效率（PCE）最大化，就需要具有寬帶隙的高性能且穩定的鈣鈦礦頂電池。近日，韓國科學技術高等研究院的ByunghaShin，首爾大學Jin Young Kim，美國國家可再生能源實驗室（NREL）朱凱和Dong Hoe Kim合作開發了一種穩定的鈣鈦礦型太陽能電池，其帶隙約為1.7eV，其峰值PCE達到了20.7％，並在連續使用1000小時後仍保持了80％的功率轉換效率。苯乙銨（PEA）二維添加劑的陰離子工程對於控制基於PbI2骨架的二維鈍化層的結構和電學性能至關重要。頂部和底部電池光譜響應的理想組合使得單片兩端子寬帶隙鈣鈦礦/矽串聯太陽能電池具有26.7％的PCE。相關結果以題為「Efficient, stable silicon tandem cells enabled by anion engineered wide-bandgap perovskites」發表在Science上。

圖文解讀

寬帶隙鈣鈦礦的陰離子工程

圖1. 含不同2D添加劑的鈣鈦礦太陽能電池在光照下的器件性能和穩定性

寬帶隙（1.68 eV）的鈣鈦礦為(FA0.65MA0.2Cs0.15)Pb(I0.8Br0.2)3，將2 mol%的Pb(SCN)2添加到鈣鈦礦前驅體溶液中加速3D鈣鈦礦晶粒生長；為了形成二維相，PEA添加劑具有I和SCN陰離子混合物。對應的鈣鈦礦器件效率如圖1A所示，純PEAI的Voc最高，純PEASCN的Jsc最高，混合陰離子的PCE最高。隨著SCN/(SCN+I)的增加，Voc降低，但改善了Jsc和FF（圖1B）。PEA(I0.25SCN0.75)器件效率最高，達到20.7%，穩定輸出功率大於20%（圖1C）；在連續光照1000小時後，效率穩定在初始值的80%（圖1D）。

結構表徵

圖2. 鈣鈦礦薄膜的結構特徵

從SEM結果得出，SCN基的PEA添加劑導致鈣鈦礦的晶粒大於純PEAI的（圖2A-C），XRD也證明含有PEASCN添加劑薄膜結晶性比PEAI的強（圖2D）。PEA(I0.25SCN0.75)鈣鈦礦的明場（圖2E）和高分辨(圖2F)TEM圖像顯示了層狀結構（2D相）位於晶界處，2D相的晶面間距為7.1 A（圖2G）。高角度環形暗場（HAADF）和環形亮場（ABF）STEM圖像（圖2H和I）有助於確定2D相的原子構型。沿平面內和平面外方向測得的2D相d間距值分別為2.3和7.1 A（圖2J），接近PbI2的（110）和（001）面間距，表明2D相主要為PbI2。

圖3. 用不同比例的2D添加劑與3D鈣鈦礦前驅體形成的薄膜XRD

為了闡明前驅體的反應途徑，研究者對由前體溶液形成的鈣鈦礦膜進行了一系列的XRD測量，其中前體溶液是3D鈣鈦礦化學物質（FAI，MABr，CsI，PbBr2，和PbI2）與2D添加劑[Pb(SCN)2和PEA(I0.25SCN0.75)]的混合(圖3)。在只有2D添加劑的鈣鈦礦薄膜中，只存在PEA2PbI4；當3D鈣鈦礦前體加入時，PEA2PbI4相得到抑制，出現3D鈣鈦礦，PbI2，低維鈣鈦礦相；當2D添加物的相對濃度低於20%時，除了PbI2和3D鈣鈦礦，其他相均消失了。將2D添加劑的比例從30％降低到20％時，低維鈣鈦礦峰消失，而PbI2峰增強，這表明當這兩個相競爭Pb和I時，PbI2佔主導地位。

電荷傳輸

圖4. 鈣鈦礦薄膜的電性能和2D鈍化層中平面缺陷的觀察

如圖4A所示，所有包含PEA的樣品在微秒範圍內的壽命都較長。尤其是PEA(I0.25SCN0.75)樣品的壽命最長；PEA(I0.25SCN0.75)和PEASCN樣品表現出高遷移率值(> 40 cm2V-1s-1)，而PEAI樣品的相對較小值為 10 cm2V-1s-1。這些遷移率值在很寬的激發強度範圍內得到了很好的維持（圖4B）。垂直暗態J-V測試說明當存在SCN時，電導率較高，從而產生較高的FF（圖4C）。C-AFM檢查通過鈣鈦礦薄膜厚度的電流路徑的空間分布。對於PEA(I0.25SCN0.75)（圖4E）和PEASCN（圖4F），電流優先流過晶界，對穿過晶粒內區域的電流的貢獻相對均勻。與PEASCN相比，PEA(I0.25SCN0.75)樣品的晶粒間波動較小。相反，PEAI樣品（圖4D）具有不均勻的電流分布，並且可見許多死區。與PEAI 樣本相比，PEASCN和PEA(I0.25SCN0.75)樣本中的死區數量要少得多。在成像研究中（圖4G-I），通常在二維相中發現一個特徵，該特徵位於具有PEA(I0.25SCN0.75)添加劑的薄膜的晶界處。

2T串聯太陽能電池

圖5. 2T鈣鈦礦/ Si串聯器件的結構和光伏性能

Si底部電池僅在背面上紋理化。在Si底部電池的頂部，準備了以下堆疊層：ITO作為複合層，PTAA，寬帶隙鈣鈦礦，C60和聚乙烯亞胺不僅是電子傳輸層，而且還作為緩衝層（圖5A）。2T串聯電池的有效面積為0.188 cm2，PCE為26.7%，磁滯可忽略，穩定的功率輸出值>26.5％（圖5B）。圖5C為串聯裝置的EQE和1- R（反射）光譜。通過頂部和底部單元的電流密度分別與J-V曲線的Jsc一致。

文獻信息

Efficient, stable silicon tandem cells enabled by anion-engineered wide-bandgap perovskites （Science 10 Apr 2020）DOI：10.1126/science.aba3433

https://science.sciencemag.org/content/368/6487/155

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