发表Science仅1年后,彭军等人今日Nature再次刷新钙钛矿效率新记录

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第一作者:彭军
通讯作者:彭军,Thomas P . White和Kylie R. Catchpole
通讯单位:澳大利亚国立大学

2021年1月22日,澳大利亚国立大学彭军及其合作者在Science上发表了题为“Nanoscale localized contacts for high fill factors in polymer-passivated perovskite solar cells”—通过结合纳米图案的电子传输层与无掺杂空穴传输层,取得了21.6%(面积为1 cm2)的认证效率。今日,该课题组发表Nature,1)提出了氮掺杂的氧化钛电子输运层反掺杂制备工艺,除了生产高质量的TiOxNy薄膜外,溅射已经广泛应用于光伏和电子工业;2)1 cm2钙钛矿太阳能电池的填充系数为86%,认证稳态效率为22.6%。

【主要内容】
由于其效率和稳定性的快速发展,钙钛矿太阳能电池处于新兴光伏技术的前沿。最先进的电池显示电压损失接近理论最小值和接近统一的内部量子效率,但转换效率受到填充因子的限制。这一限制是由于钙钛矿吸收体和电池电极之间的非理想电荷传输造成的。因此,降低电荷传输层的电串联电阻是提高效率的关键。氮掺杂的氧化钛(氧化氮化钛,TiOxNy)被广泛用于光催化,但很少用于钙钛矿太阳能电池(PSCs)。加入溶液处理TiOxNy的PSCs已被报道,但器件性能没有超过标准TiOx电子传输层(ETLs)的PSCs,因为优化金属氧化物传输层性能所需的化学计量控制对溶液处理具有挑战性。

鉴于此,第一作者彭军及其合作者报告了一种反掺杂方法,通过在氧气氛中使用受控退火温度氧化溅射氮化钛薄膜来生产高质量的TiOxNy薄膜。除了生产高质量的TiOxNy薄膜外,溅射已经广泛应用于光伏和电子工业,因此是一种很有前途的PSCs商业制造的沉积方法。作者通过7种不同的退火条件制备TiOxNy薄膜以探索具有最佳物理和电子性能的退火工艺。结果表明,450°C以上退火的薄膜的高导电性和高光学透过率的,以这种方式生产的TiOxNy薄膜有潜力成为PSCs的高性能ETL。通过将这种电荷传输材料引入钙钛矿太阳能电池中,作者发现1 cm2的钙钛矿太阳能电池的填充系数为86%,平均填充系数为85.3%。1 cm2钙钛矿太阳电池22.6%的认证效率(反向电流-电压扫描为23.33%±0.58%)。氮气中未封装的TiOxNy电池持续在1个太阳光照下照射250 h后,其稳态PCE达到了~22.82%,保持了~98.7%的初始效率(~23.12%)。
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Fig. 1: XPS characterization of TiOxNy films annealed at different temperatures.

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Fig. 2 | TEM characterization and simulation of the diffraction pattern.

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Fig. 3 | Optoelectronic properties of TiOxNy films annealed at different temperatures.

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Fig. 4 | Device characterization and simulation.

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图丨彭军在实验室

文献信息:
Jun Peng, Felipe Kremer, Daniel Walter et al. Centimetre-scale perovskite solar cells with fill factors of more than 86 percent. Nature. (2022). 
https://doi.org/10.1038/s41586-021-04216-5

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参考文献: