让电荷横行无界的横向单晶钙钛矿电池

让电荷横行无界的横向单晶钙钛矿电池
2020年01月20日 01:58 新浪网 作者 海佑讲史荣荣

原文以 Efficient lateral-structure perovskite single crystal solar cells with high operational stability 为标题发布在 Nature Communications 期刊

近期,吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室的董庆锋教授团队在Nature Communications上发表题为“Efficient lateral-structure perovskite single crystal solar cells with high operational stability”的研究论文,该研究制备出一种基于甲胺铅碘单晶的横向结构钙钛矿单晶太阳能电池器件,其效率与稳定性都是目前报道中最优异的。

让电荷横行无界的横向单晶钙钛矿电池

图 横向钙钛矿单晶太阳能电池制备过程

有机无机卤素杂化钙钛矿材料近十几年在太阳能电池领域发展非常迅速,目前高光电转换效率的器件都是基于钙钛矿多晶薄膜。单晶是钙钛矿材料另一种重要的存在形式,钙钛矿单晶相比多晶材料无晶界的存在,具有很多优异的性质,比如:更长的载流子扩散距离,更弱的离子移动效应,更高的热分解温度,更优异的稳定性;横向背接触太阳能电池结构(Interdigitated back contact) (IBC)是硅太阳能电池中很重要的一种结构并已经被广泛应用,单面背电极结构制备简单且无需使用昂贵的透明电极,光利用率相比采用透明导电玻璃的传统叠层结构电池更高,同时避免了多层结构各层热膨胀差异等因素引起的器件稳定性问题,有望获得性能更加优异的光伏器件。在保持足够长电极间距使其可低成本制备的同时,获得高性能的横向结构器件是实现IBC电池的重要前提,而横向结构器在钙钛矿太阳能电池尚属于有待深入挖掘的一个重要方向。

对于横向背接触结构钙钛矿太阳能电池,这属于是一种表面电池,所以活性层的表面性质对于器件的性能影响是很大的。钙钛矿单晶在生长中,不论单晶使用何种方法生长,当单晶与母液分离时都会造成单晶表面的破坏,产生大量缺陷。作者通过XPS测试手段证明单晶表面会产生多余的金属铅,这是一种严重影响器件性能的缺陷;这主要是由于有机盐在母液中的溶解性大于碘化铅的溶解度,当在取出晶体表面残留的母液时会溶解掉部分有机盐产生金属铅缺陷以及胺空位。而钝化这种缺陷以及其他表面缺陷是提升表面电池的一个重要手段。作者使用痕量的碘甲胺(MAI)溶液简单处理有缺陷的甲胺铅碘单晶表面,这样MAI可以占据胺空位与金属铅相互作用,可以消除金属铅缺陷产生的负面影响。在这种简单的处理后,作者发现有少量MAI覆盖在单晶表面,少量的MAI会提高晶体表面电势,作者通过开尔文探针力显微镜(KPFM)测试得到在使用MAI处理的晶体表面电势平均提高了约80 meV。表面电势的提高使得在横向结构中改善了正极与晶体的电势差,同时MAI的使用也增加了器件横向的导电率并大幅提升了器件的填充因子。

对于横向结构钙钛矿单晶太阳能电池器件性能测试,作者测试了不同光强下的器件性能,当使用MAI对晶体进行处理的器件中,在标准测试条件下1个太阳光照强度下达到了11.52%的光电转换效率,而在0.5个太阳光照强度下达到了最高的12.76%。经过MAI处理的器件由于提升了表面导电率,钝化了表面缺陷,相比较未经过处理的器件在高光强下几乎无电流损失。作者还通过几步简单的制备方法,实现了大面积横向钙钛矿单晶太阳能电池制备,为钙钛矿单晶太阳能电池提出了一个新方案。在单晶电池范围内作者还首次测量了器件长期工作稳定性,令人惊喜的是,该器件在持续1个太阳光照强度下最大功率点持续输出200小时几乎无任何衰减,这主要得益于钙钛矿单晶材料及横向器件结构的稳定性。

作者通过该研究提出了一种为实现更高效的大面积横向钙钛矿单晶太阳能电池可行的制备手段,并将横向钙钛矿单晶太阳能电池的效率提高目前最高的11.52%,但还有很大提升空间。该论文的第一作者是吉林大学的博士生宋益龙,通讯作者是吉林大学董庆锋教授。

Nature Communications

doi:10.1038/s41467-019-13998-2

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