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钙钛矿太阳能电池研究获进展 助力未来商业化应用

发布时间:2019-12-19 10:52:34  所属类别:行业资讯

钙钛矿太阳电池是光伏领域近年来兴起的一个重要研究方向。由于其优良的自组装特性、有机无机杂化钙钛矿能够通过简单的低温湿法工艺实现大面积的太阳电池组件制备、原材料的丰富低廉和器件效率的飞速发展,使得其在未来的商业化应用中呈现出巨大潜力。
 
钙钛矿太阳能电池研究获进展 助力未来商业化应用
  然而,当前主流器件结构中普遍采用TiO2等高温制备的n型半导体材料作为电子传输层,这增加了器件的制造能耗和成本,并限制了柔性器件的构建。而且TiO2等金属氧化物较强的紫外光催化性能是造成器件光照稳定性差的重要原因。因此,避免该类传输材料的使用或开发新型的界面修饰材料十分重要。
 
  二氧化钛,白色固体或粉末状的两性氧化物,是一种白色无机颜料,具有无毒、不透明性、白度和光亮度。钛白的粘附力强,不易起化学变化,永远是雪白的。广泛应用于涂料、塑料、造纸、印刷油墨、化纤、橡胶、化妆品等工业。它的熔点很高,也被用来制造耐火玻璃,釉料,珐琅、陶土、耐高温的实验器皿等。
 
  近期,中国科学院宁波材料技术与工程研究所葛子义课题组针对此问题取得了系列研究进展。首先,基于前期研究结果,通过引入外部掺杂剂来控制钙钛矿的载流子类型,由此来协同优化钙钛矿吸收层前后界面的能带结构和能级对准,构建了具有高效整流特性的p-n异质结原型器件,为进一步揭示此类器件的工作原理和提升此类器件的性能提供了全新思路。
 
  钙钛矿是指一类陶瓷氧化物,其分子通式为ABO3 ;此类氧化物最早被发现,是存在于钙钛矿石中的钛酸钙(CaTiO3)化合物,因此而得名 。由于此类化合物结构上有许多特性,在凝聚态物理方面应用及研究甚广,所以物理学家与化学家常以其分子公式中各化合物的比例(1:1:3)来简称之,因此又名“113结构”。呈立方体晶形。在立方体晶体常具平行晶棱的条纹,系高温变体转变为低温变体时产生聚片双晶的结果。
 
  进一步,针对该类器件发展过程中存在的问题,研究人员做了深入全面的文献综述。基于这些新认识,针对钙钛矿和透明导电玻璃前电极之间的较大的能级差和界面缺陷,研究人员创新性地将课题组前期开发的小分子界面材料MSAPBS用于透明导电玻璃(TCO)的功函数调控和器件前界面缺陷钝化。该界面材料的引入显著降低了TCO的功函数和钙钛矿/TCO界面的电子收集势垒,优化后的界面能带弯曲实现了高效的电子选择性收集;界面层分子中SO3-和NH3+的存在进一步钝化了钙钛矿/TCO界面的缺陷态,保证了高效的电子收集,与此同时显著提升了器件的短路电流密度、开路电压、填充因子,最终实现了效率达20.6%的无金属氧化物电子传输层钙钛矿太阳电池。由于电子收集势垒的消除和界面缺陷的钝化抑制了电荷积累,器件的迟滞效应得到了抑制,稳定性也显著提升。
 
  钙钛矿太阳能电池工作原理:
 
  在接受太阳光照射时,钙钛矿层首先吸收光子产生电子-空穴对。由于钙钛矿材激子束缚能的差异,这些载流子或者成为自由载流子,或者形成激子。而且,因为这些钙钛矿材料往往具有较低的载流子复合几率和较高的载流子迁移率,所以载流子的扩散距离和寿命较长。
 
  然后,这些未复合的电子和空穴分别被电子传输层和空穴传输层收集,即电子从钙钛矿层传输到等电子传输层,最后被FTO收集;空穴从钙钛矿层传输到空穴传输层,最后被金属电极收集,当然,这些过程中总不免伴随着一些使载流子的损失,如电子传输层的电子与钙钛矿层空穴的可逆复合、电子传输层的电子与空穴传输层的空穴的复合(钙钛矿层不致密的情况)、钙钛矿层的电子与空穴传输层的空穴的复合。要提高电池的整体性能,这些载流子的损失应该降到最低。
 
  最后,通过连接FTO和金属电极的电路而产生光电流。
 
  此外,通过与美国西北大学教授Tobin J. Marks和Antonio Facchetti课题组合作,将该类界面材料引入到经典平面异质结结构钙钛矿太阳电池中,自下而上地钝化了器件前界面和钙钛矿吸收层的体相缺陷态,抑制了器件的迟滞效应,显著提升了器件的光电转换效率(21.18%)、环境湿热稳定性和光照稳定性。
 
  资料来源:宁波材料技术与工程研究所、百科
文章标签:行业资讯
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