摘要
关键词
- 钙钛矿太阳能电池 (Perovskite Solar Cells)
- 叠层太阳能电池 (Tandem Solar Cells)
- 钝化技术 (Passivation Technology)
- 锡铅混合钙钛矿 (Pb–Sn Perovskites)
- 载流子扩散长度 (Carrier Diffusion Length)
- 表面缺陷钝化 (Surface Defect Passivation)
- 太阳能光电效率 (Photovoltaic Efficiency)
研究背景
钙钛矿太阳能电池以其可调谐带隙和低成本制备工艺,成为新一代光伏技术的前沿方向。然而,当前全钙钛矿叠层太阳能电池的认证效率仍低于单结钙钛矿太阳能电池,主要瓶颈在于锡铅钙钛矿亚电池的光生载流子扩散长度较短,限制了光电流密度。此前的研究尝试使用二维钙钛矿、路易斯酸碱或双性离子对晶粒表面进行钝化,但由于钝化剂在晶体化过程中的不完全吸附,导致其吸附效果有限。本研究通过引入分子设计的动态钝化剂CF3-PA,显著提升了晶粒表面的钝化效果和载流子传输能力,从而提高了叠层电池的整体效率和稳定性。
创新点
- 利用分子动力学模拟指导设计CF3-PA钝化剂,揭示其动态吸附特性。
- 提升了Pb-Sn钙钛矿薄膜的晶粒表面钝化效果,将载流子扩散长度提升至超过5 μm。
- 实现了认证效率达26.4%的全钙钛矿叠层太阳能电池,效率高于单结钙钛矿太阳能电池。
- 提供了大面积封装电池的长期稳定性验证(600小时后效率保持率90%)。
研究内容
本研究基于动态分子设计,提出了通过添加CF3-PA钝化剂改善锡铅混合钙钛矿薄膜性能的方法。通过分子动力学模拟发现,CF3-PA在400 K下具有较强的表面吸附能力,可有效钝化晶粒表面缺陷(如碘空位和锡空位)。实验验证显示,与传统钝化剂相比,CF3-PA钝化的钙钛矿薄膜表现出更高的载流子扩散长度和更低的非辐射复合速率。此外,通过在叠层太阳能电池中优化宽带隙(WBG)和窄带隙(NBG)钙钛矿亚电池的厚度,研究实现了电流匹配,从而提升了电池效率。最终制备的大面积叠层电池认证效率达26.4%,并在封装后展示了优异的长期稳定性。通过SEM、XRD、XPS和PL等表征手段,全面分析了钝化剂对钙钛矿薄膜形貌、结构及光电性能的影响。
结论与展望
研究证明了动态钝化剂CF3-PA对提升钙钛矿薄膜钝化效果的显著作用,实现了认证效率达26.4%的全钙钛矿叠层太阳能电池。长期稳定性测试表明,封装后的叠层电池在600小时后效率保持率超过90%。未来研究可通过进一步优化钝化剂分子结构和制备工艺,进一步提高电池效率和稳定性,为钙钛矿光伏技术的商业化应用铺平道路。
论文直达
原文标题:All-perovskite tandem solar cells with improved grain surface passivation
Nature 2022, 603, 73–78.
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