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有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦太陽能電池研究獲進(jìn)展

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:1719次  |  2020年04月07日  

【成果簡(jiǎn)介】


近日,我國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心熊奕敏課題組副研究員曹亮與中科院上海應(yīng)用物理研究所高興宇課題組、蘇州大學(xué)孫寶全課題組合作,發(fā)現(xiàn)提高有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦薄膜結(jié)晶相純度尤其是表面結(jié)晶相純度,能有效消除鈣鈦礦太陽能電池器件遲滯效應(yīng)和提升器件性能,并且器件遲滯效應(yīng)的消除并不依賴于器件結(jié)構(gòu)。此項(xiàng)研究揭示了鈣鈦礦結(jié)晶相純度尤其是表面結(jié)晶相純度對(duì)器件J-V遲滯效應(yīng)有重要影響。相關(guān)研究成果以題為“EnhancedCrystallinePhasePurityofCH3NH3PbI3-xClxFilmforHigh-EfficiencyHysteresis-FreePerovskiteSolarCells”發(fā)表在ACSAppliedMaterials&Interfaces上。


【圖文導(dǎo)讀】


圖1表征結(jié)果


(a)掠入射XRD測(cè)量示意圖,以及有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦薄膜的掠入射XRD譜(X光入射角度2度)。


(b)CH3NH3PbI3-xClx薄膜二維GI-XRD譜。


(c)優(yōu)化薄膜后處理?xiàng)l件后測(cè)量的二維GI-XRD譜。


(d,e)基于r-和g-鈣鈦礦薄膜的反式P-i-N結(jié)構(gòu)器件J-V曲線。


(f,g)為正式N-i-P結(jié)構(gòu)器件J-V曲線。


圖2示意圖


(a)r-鈣鈦礦和g-鈣鈦礦薄膜的Pb4f7/2光譜。


(b)r-鈣鈦礦和g-鈣鈦礦薄膜的I3d5/2光譜。


(c)r-鈣鈦礦和g-鈣鈦礦薄膜的N1s核心級(jí)光譜。


【研究?jī)?nèi)容】


探索新能源材料及器件、利用太陽能應(yīng)對(duì)能源危機(jī)已成為一項(xiàng)重要課題。在短短的幾年內(nèi),有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率已提升到22.1%,接近單晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率(26.3%)。因而,有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦(ABX3型結(jié)構(gòu))材料被認(rèn)為是下一代太陽能電池材料的有力競(jìng)爭(zhēng)者。然而,有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦太陽能電池走出實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化仍存在一些問題,如提升高效器件的穩(wěn)定性、降低遲滯效應(yīng)及實(shí)現(xiàn)大面積制備等。


目前廣泛報(bào)道的快速退火方法制備的鈣鈦礦太陽能電池器件的J-V曲線表現(xiàn)出明顯的遲滯效應(yīng)。論文研究人員利用上海光源的掠入射X射線衍射(GIXRD)對(duì)制備的CH3NH3PbI3-xClx薄膜進(jìn)行了系統(tǒng)表征。通過改變X射線的探測(cè)深度發(fā)現(xiàn)鈣鈦薄膜結(jié)晶相不純,尤其是薄膜表面存在明顯的多相結(jié)構(gòu)。


為了明確有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦薄膜結(jié)晶相純度,尤其是表面相純度對(duì)器件遲滯效應(yīng)和性能的影響,研究人員通過優(yōu)化后處理?xiàng)l件提高了的CH3NH3PbI3-xClx薄膜的結(jié)晶相純度,消除了薄膜表面的多相結(jié)構(gòu)?;诖祟惐∧さ钠骷幢憩F(xiàn)明顯遲滯效應(yīng),且光電轉(zhuǎn)換性能得到進(jìn)一步提升。


值得說明的是,器件遲滯效應(yīng)的消除并不依賴于器件結(jié)構(gòu),即正式N-i-P結(jié)構(gòu)或反式P-i-N結(jié)構(gòu),揭示了鈣鈦礦結(jié)晶相純度尤其是表面結(jié)晶對(duì)器件J-V遲滯效應(yīng)和性能有重要影響。結(jié)合XPS和SEM結(jié)果,充分說明有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦薄膜表面結(jié)晶相純度影響表面或者晶界處低配位的Pb和I離子。這些離子作為電荷陷阱,導(dǎo)致遲滯效應(yīng)及低光電轉(zhuǎn)化效率。因此,提高鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶性、尤其是表面的結(jié)晶相純度,有利于開發(fā)高性能無遲滯有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦太陽能電池。


中科院上海應(yīng)物所楊迎國(guó)、馮尚蕾和蘇州大學(xué)許衛(wèi)東為本文共同第一作者,高興宇、曹亮和孫寶全為論文共同通訊作者。該研究成果得到了上海光源BL14B衍射線站、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中科院百人計(jì)劃項(xiàng)目等的資助。


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