电池组件

两亲分子制备出光电转化效率23.5%的稳定钙钛矿太阳能电池

2020-02-21 12:30:01 能源学人 作者:Energist

钙钛矿太阳能电池(PSC)由于其出色的光伏(PV)性能,低成本,大面积制造能力而受到广泛的研究关注。在过去几年中,PSC的功率转换效率(PCE)从≈9%急剧增加到25.2%,但是其稳定性是该领域目前面临的重要问题,制备出高光电转化效率,高稳定性的器件,是推动该领域进一步发展的首要问题。

(来源:微信公众号“能源学人”作者:Energist)

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近日,瑞士洛桑联邦理工学院Michael Grätzel教授课题组,提出了一种新型的钝化剂,即4-叔丁基-苄基碘化铵(tBBAI),该钝化剂具有大位阻的叔丁基基团可防止空间排斥引起的不利聚集。发现用tBBAI进行简单的表面处理可显着加速电荷从钙钛矿中提取到spiro-OMeTAD空穴传输剂中,同时阻止了非辐射电荷复合。这将钙钛矿光电转化效率(PCE)从≈20%提高到23.5%,更加重要的是,tBBAI处理将填充因子从0.75提高到0.82的极高值。叔丁基还提供了疏水性保护伞,可保护钙钛矿膜免受周围水分的侵蚀。此外,在连续模拟太阳辐射,最大功率点跟踪下,全日照500小时后,PSC表现出优异的稳定性,可保留其初始PCE的95%以上。

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图1. A)PEAI和tBBAI的化学结构。B)钙钛矿太阳能电池的结构模型图,C–E)钙钛矿薄膜,PEAI钝化的钙钛矿薄膜,tBBAI钝化的钙钛矿薄膜,比例尺为1 μm。

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图2. A)钙钛矿,钙钛矿/PEAI和钙钛矿/tBBAI薄膜的XPS光谱。B)各种薄膜的C1s光谱。C)钙钛矿/ tBBAI 薄膜I3Dde 深度XPS。D)钙钛矿,钙钛矿/ PEAI和钙钛矿/ tBBAI的XRD图谱。

图3. A)玻璃/ FTO /mp-Al2O3 /钙钛矿/无表面钝化层的TRPL(对照,蓝色),PEAI(红色)和tBBAI(黑色)。B)不含空穴传输层的样品的TRPL测试。

图4. A)电池的反向扫描的IV曲线。B)在环境空气下的对钙钛矿电池最大功率的跟踪测试。C)钙钛矿电池的IPCE。D)不同光照强度和开路电压的对应关系。

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图5. A)在惰性气氛(N2)中的MPP老化测试,无钝化的PSC和PEAI和tBBAI钝化的PSC在一个阳光下连续照射。B)表面上的水滴图像钙钛矿薄膜(对照)和钝化的钙钛矿整洁的钙。

在这项工作中,作者通过简单的表面钝化剂tBBAI。通过电光学表征表明,tBBAI钝化的钙钛矿膜片显示较少的非辐射电荷载流子复合,即较低的缺陷密度,并显着改善了钙钛矿薄膜中的电荷提取到空穴传输层。此外开路电压增加了≈50mV与无钝化的钙钛矿薄膜。钝化剂tBBAI的冠军电池的PCE为23.5%。此外,与PEAI相比,tBBAI的疏水性增强导致增强耐湿性,因此具有更好的操作稳定性。使用tBBAI的PSC在使用后保留了其初始PCE的95%以上500小时的MPP跟踪,以及之后90%以上的初始PCE在相对湿度为50–70%的环境空气中老化55天。该工作提供了一种简单而有效的方法来制造具有出色效率和稳定性。


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