谭海仁Nat Energy:25.6%!南大再创全球新纪录!

谭海仁Nat Energy:25.6%!南大再创全球新纪录!【研究背景】

    钙钛矿串联太阳能电池为突破单结电池的极限效率提供了一种途径。由于窄带隙混合铅-锡钙钛矿电池中的高陷阱密度和易于氧化,这使得结效率、均匀性和稳定性具有挑战性。为此,南京大学谭海仁教授报告了使用强还原性表面-锚定两性离子的分子在窄带隙子电池的效率、均匀性和稳定性方面取得了同步提升。两性离子型抗氧化剂可抑制Sn2+氧化并钝化钙钛矿混合铅薄膜中晶粒表面的缺陷,单结太阳能电池的效率为21.7%(经认证为20.7%)。在1平方厘米面积的全钙钛矿串联电池中获得了24.2%的认证效率,而对于0.049平方厘米和12平方厘米的器件,实验室中的电源转换效率分别为25.6%和21.4%。封装后的串联器件在54-60℃温度和环境光照下工作500个小时后,仍能保持其88%的初始性能。

【研究内容】

甲脒亚磺酸(FSA)掺杂的Pb-Sn混合钙钛矿薄膜

    作者认为FSA的两性离子互变异构体可以提供一种手段来钝化晶粒表面上的给电子(FA/MA空位)和受电子(Pb2+/Sn2+配位不足)缺陷(图1a)。他们假设表面固定的FSA作为一种强还原剂,可以将Sn4+还原回Sn2+,并中和氧分子(图1a)。对照组(FA0.7MA0.3Pb0.5Sn0.5I3)和FSA样品(FSA掺杂)的XRD中没有PbI2/SnI2或无钙钛矿相的单一钙钛矿相,并且这两类膜均显示出相似的结晶度和晶体学取向(图1c)。薄膜的XPS表明,钙钛矿薄膜中存在FSA添加剂(图1d)。引入的FSA分子,会阻止暴露于空气中混合的Pb-Sn钙钛矿薄膜中Sn2+的氧化(图1e)。相比之下,没有FSA保护的控制膜在暴露于空气时会表现出快速的Sn2+氧化。

谭海仁Nat Energy:25.6%!南大再创全球新纪录!1Pb-Sn混合窄带隙钙钛矿薄膜的表征

    FSA膜的PL发射强度大约是对照样品的三倍(图2a),表明添加FSA减少了混合的Pb-Sn钙钛矿膜的非辐射复合。FSA薄膜(188 ns)的PL衰减寿命比对照薄膜(64 ns;图2b)更长。这表明在引入FSA后,载流子的俘获基本上被抑制了。飞秒分辨的光泵太赫兹探针(OPTP)光谱结果表明(图2c),FSA和对照样品具有相似的电荷载流子迁移率。飞秒瞬态吸收光谱显示薄膜具有光漂白峰。在1–7,000 ps的延迟时间内,光漂白峰保持一致,没有明显的偏移(图2d),表明Pb-Sn钙钛矿薄膜中的空间相基本上是均匀的。PL强度成像(图2e)结果表明,与对照相比,从FSA样品中观察到了更强的PL发射,这与图2a中所示的稳态PL光谱一致。放大的micro-PL映射图像进一步证实了FSA膜具有更强和更大的亮发射区域(图2f)。

谭海仁Nat Energy:25.6%!南大再创全球新纪录!2Pb-Sn混合窄带隙钙钛矿薄膜的电荷动力学与均匀性

Pb-Sn混合窄带隙钙钛矿薄膜的光电性能

    与对照组相比,FSA器件的平均Voc值有明显提高(图3a)。最好的FSA器件在PCE达到21.7%的高水平,Voc为0.85 V,Jsc为31.6 mA cm-2,FF为80.8%(图3b)。Newport 认证效率为20.74%。1.05 cm2的FSA器件效率可达18.8%,而控制器件的效率为16.1%(图3d)。

谭海仁Nat Energy:25.6%!南大再创全球新纪录!3Pb-Sn混合窄带隙钙钛矿薄膜的光电性能

全钙钛矿串联电池的性能和稳定性

    串联电池的结构如图4a,b所示,其中在互连层中,低温下原子层沉积的SnO2层,作为Pb-Sn子电池的电子传输层(ETL)。作者还采用一层热交联分子VNPB对NiO表面的电学性能进行改性。经VNPB改性后,基于NiO纳米晶的空穴传输层既保持了良好的钙钛矿溶液浸润性,又获得了更高的开路电压。1.05 cm2大面积全钙钛矿叠层太阳能电池的效率从22.7%提高到24.7%,0.049 cm2小面积叠层电池的效率高达25.6%(如图2c-h所示)。为了证明本工作提出的原理和技术可实现大面积的产业化应用,作者还制备了单个电池面积达12cm2的叠层电池,器件转换效率高达21.4%(图2i),是目前面积大于10cm2的钙钛矿电池中,首次报道效率突破20%的结果。

谭海仁Nat Energy:25.6%!南大再创全球新纪录!4:单片全钙钛矿电池的光电性能

    对于未封装的器件,FSA串联电池表现出更好的空气稳定性(图5a)。在54-60℃条件下,封装后的FSA串联器件连续工作500个小时后,仍能保持其88%的初始性能(图5b)。

谭海仁Nat Energy:25.6%!南大再创全球新纪录!5:全钙钛矿串联电池的空气和运行稳定性

Xiao, K., Lin, R., Han, Q. et al. All-perovskite tandem solar cells with 24.2% certified efficiency and area over 1 cm2 using surface-anchoring zwitterionic antioxidant.  Nat. Energy, 2020, DOI:10.1038/s41560-020-00705-5

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参考文献:Nat. Energy