Energy Environ. Sci.: 克服鈣鈦礦電池陷阱缺陷的新思路—引入成對電偶極層

2021-03-01 材料人

滷化物鈣鈦礦由於其優異的光電特性,成本低廉,製備工藝簡單,能帶連續可調等一系列優勢,受到了研究者的廣泛關注。尤其在太陽能電池領域,有機—無機雜化鈣鈦礦電池的光電轉換效率已經達到22.7%,超過了商業化的晶矽太陽能電池。然而,多晶鈣鈦礦薄膜不可避免地會在晶界處產生難以控制的陷阱缺陷,捕獲電子和空穴,進而嚴重影響器件的效率、可重複性和穩定性,限制鈣鈦礦電池的進一步發展。為了降低缺陷密度,一系列提高薄膜質量的方法如溶劑工程,引入添加劑等已經被嘗試,但是由於鈣鈦礦對於製備環境微小變化的敏感性,控制鈣鈦礦中的陷阱缺陷密度依舊是很大的挑戰。此外,對光生載流子施加一強電場,有效促使載流子到達對電極有望克服這一問題,因此尋找一種提高鈣鈦礦層中內建電場,進而有效提取光生載流子的方法至關重要。


近日,韓國GIST(光州科學技術院)Kwanghee Lee等人通過在陽極引入p-PFP-O作為空穴提取層,在陰極引入PFN作為電子提取層,在界面處形成強電偶極,設計了ITO/p-PFP-O/PTAA/perovskite/PC61BM/PFN/Al 結構的平面型鈣鈦礦電池,提高鈣鈦礦層內建電場,降低器件中載流子非輻射複合損失,進而顯著提高電池的效率和可重複性,光電轉換效率最高達19.4%,平均效率18.0%,高於傳統載流子提取層(PEDOT:PSS和TiOx)組裝的電池。相關成果以題為「Introducing paired electric dipole layers for efficient and reproducible perovskite solar cells」發表在Energy Environ. Sci.


相關焦點

  • 陳立桅課題組JACS:有機和鈣鈦礦太陽能電池中的界面偶極
    PFN(poly [(9,9-bis(3´-(N,N-dimethylamino) propyl)-2,7-fluorene)-alt-2,7-(9,9–dioctylfluorene)])界面層的引入被認為是有機太陽能電池發展歷程中裡程碑式的工作,能夠同時提升開路電壓、短路電流和填充因子,其中的關鍵機理是PFN界面層展現出很強的電偶極矩。
  • 揭開鈣鈦礦太陽能電池「效率缺陷」之謎
    近年來,鈣鈦礦成為太陽能電池研究的新寵。相比於共稜、共面形式連接的結構,具有特定晶體結構的鈣鈦礦更加穩定,更有利於缺陷的擴散遷移。因此,鈣鈦礦具備了許多優異的物理化學特性,如電催化性、吸光性等。同時,鈣鈦礦結構非常適合作為太陽能電池吸收光線的活性層,因為它們吸收光線的效率比矽更高,轉換效率潛力更大,且製作工藝簡單、成本低、更綠色,近年來鈣鈦礦電池已逐漸成為矽太陽能電池的替代品。然而,鈣鈦礦材料製作的太陽能電池,往往會出現明顯的性能損失和不穩定性,確切的物理原因依然成謎。迄今為止,大多數研究都集中在消除這些性能損失的方法上。
  • 南科大Nano Energy:冷凍電鏡觀測鈣鈦礦太陽能電池缺陷結構
    近幾年的研究發現,有機-無機鈣鈦礦具有極高的能量轉換效率,從而使它有望成為下一代太陽能電池的關鍵材料。最近,利用側插式冷凍樣品杆技術保護樣品,一些研究團隊利用普通透射電鏡對新能源電池內部的SEI膜進行了細緻的結構研究,取得一系列成果,成功地將冷凍概念引入無機材料研究領域。然而,將冷凍電鏡結合在生物大分子結構解析中的應用經驗,直接應用到對電子束敏感的新材料領域還有待進一步發展。
  • 最新《Science》揭秘鈣鈦礦太陽能電池中「陷阱」之謎!
    混合無機-有機鈣鈦礦太陽能電池的效率主要受到捕獲電荷載流子並導致無用重組的缺陷的限制。近日,美國北卡羅來納大學黃勁松教授(通訊作者)報導了金屬滷化物鈣鈦礦單晶和多晶太陽能電池中「陷阱」的空間和能量分布解析結果。其中,單晶中的陷阱密度相差五個數量級,最低值為2×10^11 cm-3,且大多數深陷阱位於晶體表面。
  • 高效穩定的二維層狀鈣鈦礦來了!為鈣鈦礦太陽能電池商業化鋪路
    陳永華告訴《中國科學報》,離子液體鈣鈦礦光伏技術具有效率高、穩定性好、易放大、一步成膜、環境友好等突出的優點,是極具潛力的新型光伏製備技術。這篇論文發表之後得到了學術界和產業界的高度關注。基於該項突破,陳永華和黃維團隊繼續採用離子液體MAAc作為溶劑,製備了高效穩定的二維層狀鈣鈦礦,成為離子液體應用在鈣鈦礦領域的又一突破。
  • 蘇大鄒貴付團隊:分子鐵電驅動的高性能鈣鈦礦太陽能電池
    目前, 有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池的最高效率已經超過25%, 且穩定性也得到了很大的提高, 有希望成為下一代薄膜光伏技術的候選者之一。從根本上講,鈣鈦礦太陽能電池的性能主要取決於鈣鈦礦層的吸光能力、缺陷鈍化以及光生激子的分離和提取。在光照條件下,光生激子會被PSCs的內建場分離和提取。
  • 南科大副教授王愷團隊在鈣鈦礦發光二極體領域取得系列研究進展
    此外,鈣鈦礦在結晶成膜的過程中會不可避免的產生一些缺陷態,使得電子-空穴對的非輻射複合機率上升,進一步制約著器件性能的提升。在發表於Advanced Materials的研究論文中,課題組在準二維鈣鈦礦中引入含有雙官能團(氨基和羧基)的配體,促進了不同鈣鈦礦相間的耦合作用,從而有效提高了鈣鈦礦相間的能量傳遞,顯著提升器件性能。
  • 頻繁破紀錄 24個疊層鈣鈦礦電池技術匯總!
    黃勁松團隊研究發現,錫基鈣鈦礦電池中的電荷收集效率受到電子擴散長度的限制。在鈣鈦礦型前體中添加少量Cd3+會降低電子陷阱密度,從而產生2.72±0.15微米的長電子擴散長度。將窄帶隙鈣鈦礦薄膜的優化厚度增加到1000 nm。對於單結窄帶隙PSC和鈣鈦礦-鈣鈦礦疊層電池,分別獲得了20.2和22.7%的效率。
  • 黃維院士團隊原位界面調控助力高效無電子傳輸層鈣鈦礦太陽能電池
    近期,西北工業大學柔性電子前沿科學中心(西安柔性電子研究院)首席科學家黃維院士團隊陳永華教授課題組在原位界面調控助力高效無電子傳輸層鈣鈦礦太陽能電池方面取得了新進展,研究成果以「In Situ Interface Engineering for Highly Efficient Electron-Transport-Layer-Free Perovskite
  • 下一代太陽能電池和柔性LED潛在材料的鈣鈦礦效率缺陷的解決方法
    (OIST)的科學家共同領導的多機構合作近日獲得突破性成果,他們發現了導致下一代太陽能電池和柔性LED潛在材料——鈣鈦礦中出現「效率缺陷」的根源。 通常而言,當光照射到鈣鈦礦太陽能電池上或電通過鈣鈦礦LED時,電子被激發並躍遷到更高的能量狀態。
  • 中科院在鈣鈦礦電池領域取得重要進展
    然而,目前鈣鈦礦太陽能電池的工業化生產還面臨著不小的挑戰。一方面鈣鈦礦光伏器件的實際應用受制於鈣鈦礦活性層以及載流子傳輸層的弱穩定性,例如鈣鈦礦材料在光照、加熱以及溼度下易分解,器件中常用的金屬氧化物電子傳輸層(SnO2、TiO2等)在紫外光下產生電子空穴複合,兩者共同作用嚴重限制了鈣鈦礦光伏器件工作穩定性。
  • 解析金屬滷化物鈣鈦礦太陽能電池中陷阱態的空間和能量分布
    Zhenyi Ni和美國應用物理科學、機械與材料工程以及計算機和能源工程研究團隊在《Science》雜誌上發表的最新報告中,描述了金屬滷化物鈣鈦礦單晶多晶太陽能電池中陷阱態或缺陷的空間和能量分布。研究人員將金屬滷化物鈣鈦礦(MHP)的光電性能歸因於其高的光吸收係數、載流子遷移率、長的電荷擴散長度和小的Urbach能量(代表系統中的混亂)。理論研究表明,由於鈣鈦礦的低形成能,結構缺陷和晶界而在材料表面形成深電荷陷阱的可能性,可指導鈣鈦礦太陽能電池鈍化技術的發展(化學反應性的損失)。電荷陷阱狀態在鈣鈦礦太陽能電池和其他設備的降解過程中起著重要作用。
  • 乾貨 詳解鈣鈦礦太陽能電池的應用
    相比於以共稜、共面形式連接的結構, 鈣鈦礦結構更加穩定, 有利於缺陷的擴散遷移.其中帶有碘基團的鈣鈦礦太陽能電池在力學性能上(如彈性、強度等)不如帶有溴基團的電池。電子吸收光譜由Cl至I依次拓寬,能隙的紅移也逐次增加. 這是由於隨著原子量的升高, 元素電負性變弱, 與金屬離子B成鍵中的共價作用增強。 ABX3型的有機-無機滷化物在不同溫度下具有不同的結構.
  • Nature Energy報導周歡萍課題組在鈣鈦礦太陽能電池上的重要進展
    有機陽離子以及滷素陰離子空位缺陷是制約鈣鈦礦太陽能電池高效率以及長期穩定性的主要因素,如何同時消除這兩種缺陷是當下的難題。基於此,北京大學工學院周歡萍研究員課題組提出一種新的消除機制,即在鈣鈦礦活性層中引入氟化物,利用氟極高的電負性,實現氟化物同時與有機陽離子形成強氫鍵以及與鉛離子形成強離子鍵的雙重效果。從而有效消除了有機陽離子以及滷素陰離子的空位缺陷,大大提升了電池的光電轉換效率和長期穩定性。
  • 鈣鈦礦太陽能電池效率達到18.12%並改善滯後效應
    日本九州大學的科學家已開發出一種用於鈣鈦礦電池生產的表面處理方法。他們提出這種方法可以減少滯後現象。鈣鈦礦光伏器件受困於這種效應,因為它們的輸出取決於先前的輸入而非其即時狀態,從而影響了預測性能的準確性。在鈣鈦礦電池中,滯後效應與材料的組成密切相關。按通常看法,界面附近的離子遷移和非輻射複合是造成這種效應的原因。
  • 鈣鈦礦太陽能電池性能新突破:可實現減少滯後現象
    我的煤炭網>新聞>行業熱點>新能源>鈣鈦礦太陽能電池性能新突破:可實現減少滯後現象 鈣鈦礦太陽能電池性能新突破:可實現減少滯後現象 發布日期:2020-11-22 00:18:10
  • 鈣鈦礦電池:你離諾貝爾獎到底有多遠?
    (Green, Nature, 2014) 鈣鈦礦電池還差點什麼?穩定性希望多多,問題多多。矽基太陽能電池設置了一個難以逾越的標杆——25年到30年的壽命,轉換效率衰減不超過初始效率的15%。仔細的封裝可以屏蔽掉水,但是太陽能電池不能不讓曬太陽吧,豈不成了笑話?一般認為,TiO2電子傳導層是紫外線衰減的原因。要麼屏蔽掉紫外線,要麼改性TiO2,要麼去掉TiO2,要麼在TiO2和鈣鈦礦之間加個隔離層,學者想了很多辦法,正在嘗試解決這個問題。 怕熱。高溫會給鈣鈦礦電池帶來一系列的問題,主要是分解和斷層。
  • 鈣鈦礦研究突破點是什麼?全球鈣鈦礦電池研究小組有哪些?
    表格中顯示了國際上鈣鈦礦/晶矽疊層電池實驗室效率參數。我國南開大學通過在迎光面引入倒金字塔陷光結構,並在鈣鈦礦電池中採用溶劑工程,匹配了頂/底電池的光電流,使鈣鈦礦/晶矽疊層電池效率達到23.73%,創造我國該類電池最高效率。
  • 南京大學Nature Energy:24.8% 全鈣鈦礦串聯電池最高效率
    在金屬滷化物鈣鈦礦中將Pb和Sn合金化提供了一條途徑以獲得Sn含量低至1.17 eV的窄帶隙。但是,這些鈣鈦礦中的Sn2+,易於氧化形成Sn4+,導致高陷阱密度和短載流子擴散。錫源淨化和抗氧化劑添加劑,例如SnF2和SnF2-吡嗪絡合物已被用於減少與滷化錫中Sn2+氧化有關的缺陷密度。
  • NREL在鈣鈦礦太陽能電池方面取得突破
    發表於:2019-04-30 17:47:21     作者:劉珊珊來源:索比光伏網美國能源部(DOE)國家可再生能源實驗室(NREL)的研究人員報告說,鈣鈦礦太陽能電池技術取得了重大突破,已接近其最高效率。電池效率的提高歸功於一個新的化學式,同時也改善了太陽能電池的結構和光電性能。