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中科院楊德仁光伏器件效率26.27%採2Pbl2防鈣鈦礦解構

發(fā)表時間:2024/8/21 16:51:13

導讀目錄

光伏技術的新發(fā)表:無定形鈍化層提升鈣鈦礦電池性能

1.  研究方法與表征設備分析

2. 非晶態(tài)(lysine)2Pbl2層展現(xiàn)高光電轉換效率成果



光伏技術的新發(fā)表 :無定形鈍化層提升鈣鈦礦電池性能


近日,由中科院院士楊德仁團隊、浙江大學王勇 及蘇州大學寧為華 共同發(fā)表于Nature Communications  2024年第15期一突破性研究為高效鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展開辟了新路徑。研究人員成功開發(fā)出一種新型無定形(賴氨酸)2PbI2鈍化層,通過固相反應在鈣鈦礦薄膜表面和晶界處形成。這種無定形結構具有更少的懸掛鍵,能有效中和表面/界面缺陷,顯著提高了電池效率。

與傳統(tǒng)的晶態(tài)鈍化材料相比,這種新型無定形層不僅降低了晶格應力,還作為屏障阻止有機成分的分解,抑制了鈣鈦礦的結構破壞,大幅提升了太陽能電池的穩(wěn)定性。研究團隊報告稱,采用這種技術的鈣鈦礦太陽能電池效率高達26.27%(經(jīng)認證為25.94%)。


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3 .光伏和器件特性

(a) PbI?-FACsMAamo-FACsMA器件的J-V曲線,電池有效面積為0.09 cm2。


研究方法與表征設備分析


研究團隊在研究過程中,透過階段式的研究手法逐一量測并驗證該研究理論的可行性

1.    材料合成與制備:研究團隊合成了含賴氨酸的鈣鈦礦薄膜,通過固態(tài)擴散和反應過程,制備了不同賴氨酸擴散時間的薄膜樣品。

2.    薄膜沉積:使用旋涂或蒸鍍等方法將制備的鈣鈦礦材料沉積到基底上,形成薄膜。

3.    太陽能電池裝置制作:將制備的鈣鈦礦薄膜整合到太陽能電池裝置中,包括添加其他必要的層,如電極、傳輸層等。

4.    穩(wěn)定性測試:對制備的太陽能電池裝置進行穩(wěn)定性測試,評估其在不同條件下的性能變化。

5.    效能測量:使用標準的測試條件(如AM1.5G光譜、25°C)來測量太陽能電池的效能參數(shù),如轉換效率、短路電流、開路電壓等。

6.    操作條件下的性能評估:可能進行了最大功率點(MPP)追蹤測試,以評估太陽能電池在實際操作條件下的性能。

要得到器件的優(yōu)化進程,各項的表征設備,使得量測過程中得到更穩(wěn)定的論證外,更幫助研究團隊有效地了解器件提升的狀態(tài)及進一步優(yōu)化的可能性。
常見的表征設備如: 紫外可見光譜儀(UV-vis:可用于分析材料的光吸收特性; X射線繞射儀(XRD分析材料的晶體結構,并確定材料的晶相和晶格參數(shù); 掃描電子顯微鏡(SEM可觀察材料的表面和截面形態(tài),提供微觀結構的影像; X射線光電子能譜儀(XPS確定元素的化學結合環(huán)境。另外,傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR通過紅外吸收光譜來識別材料中的化學組分; X射線吸收光譜儀(XAS),包括X射線吸收近邊結構(XANES)和擴散X射線吸收精細結構(EXAFS; 時間解析光致發(fā)光系統(tǒng)(TRPL:可測量材料的載流子壽命,研究激子動態(tài)和材料的缺陷密度; 電容頻率分析儀則應用于評估太陽能電池裝置中的陷阱狀態(tài)和載流子動態(tài)。

其中,太陽光模器和電流-電壓(J-V)測量系統(tǒng)在太陽能電池的表征量測中極其重要原因如下:

1.    性能評估J-V測量是評估太陽能電池性能最直接的方法。通過J-V曲線,可以獲得關鍵的電池參數(shù),如開路電壓(Voc)、短路電流(Isc)、填充因子(FF)和光電轉換效率(η),上述參數(shù)綜合反映了太陽能電池的整體性能。

2.    標準化測試:太陽能仿真器提供標準化的光照條件(如AM1.5G光譜、1000 W/m2的輻射強度),確保測量結果的可比性和重復性。這對于比較不同材料、結構或制程的太陽能電池性能至關重要。

3.    缺陷識別J-V曲線的特征,如S形曲線、低填充因子或低短路電流,可以指示太陽能電池可能存在的缺陷,如電荷復合、電流泄漏或系列電阻過大。

4.    穩(wěn)定性分析:通過連續(xù)的J-V測量,可以監(jiān)測太陽能電池在不同環(huán)境條件下的長期穩(wěn)定性,了解其性能衰退的速率和機制。

5.    優(yōu)化與改進J-V測量結果可用于指導太陽能電池的進一步優(yōu)化和改進,幫助研究人員識別性能瓶頸并尋找解決方案。

6.    認證與商業(yè)化:對于商業(yè)化產(chǎn)品,J-V測量是產(chǎn)品認證和質(zhì)量控制的重要步驟。通過J-V測量獲得的數(shù)據(jù)可用于產(chǎn)品卷標和市場推廣

本研究采用光焱科技-SS-X系列 AM1.5G 3A+級太陽光模擬器 搭配IVS-6000的量測軟件,及QE-R量子效率解決方案,使表征的參數(shù)可透過軟件經(jīng)簡單導入后,進行交叉分析,作為表征過程中輕松且具有效率的量測模式。


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光焱科技作為創(chuàng)新科技,致力于提供精準表征解決方案,采用先進的表征技術及具有效率的量測程序,助力研究團隊獲得高質(zhì)量且精準實驗數(shù)據(jù)。進一步協(xié)助國內(nèi)研究團隊在國際學術舞臺上展現(xiàn)優(yōu)秀成果,提升學術影響力。
在快速發(fā)展的光伏領域中,提供關鍵參數(shù)和優(yōu)化方案,推動研究器件性能提升。透過持續(xù)的技術創(chuàng)新和支持,促進再生能源產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)定成長?,F(xiàn)階段也連接學術研究與產(chǎn)業(yè)應用,推動科研成果轉化,促進光伏產(chǎn)業(yè)商業(yè)化的進步。


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非晶態(tài)(lysine)2Pbl2層展現(xiàn)高光電轉換效率成果


研究成員通過多種實驗方法證實了無定形(賴氨酸)2PbI2層增強了鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率及穩(wěn)定性:

1.    效率提升:研究人員通過測量太陽能電池的電流密度-電壓(J-V)特性和量子效率(EQE),證明了無定形(賴氨酸)2PbI2層導致的光電轉換效率提升。與參考設備相比,采用無定形(賴氨酸)2PbI2層的設備展示了更高的功率轉換效率(PCE),達到了26.27%,并且具有更好的開路電壓(Voc)和填充因子(FF)。
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2.    缺陷密度降低:研究人員觀察到無定形(賴氨酸)2PbI2層降低了非輻射復合,這與缺陷密度的降低相對應。此外,無定形(賴氨酸)2PbI2層降低了陷阱能量深度和缺陷密度,這對提高電池效率至關重要。
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3.    穩(wěn)定性增強:研究人員通過長時間的儲存壽命和操作穩(wěn)定性測試,證明了無定形(賴氨酸)2PbI2層對鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性的正面影響。在連續(xù)照明和/或加熱2000小時后,無定形(賴氨酸)2PbI2層抑制了鈣鈦礦的解構,而參考設備則出現(xiàn)了PbI2雜質(zhì)峰,表明其穩(wěn)定性較差。
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4.    抑制有機組分分解:無定形(賴氨酸)2PbI2層作為屏障,防止了有機組分的分解,這有助于維持鈣鈦礦結構的完整性,進一步提高了太陽能電池的穩(wěn)定性。

5.    結構和組成分析:無定形(賴氨酸)2PbI2層的結構和組成信息,證實了其作為有效鈍化層的特性。

綜合上述實驗結果,研究證實了無定形(賴氨酸)2PbI2層在增強鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率和穩(wěn)定性方面的有效性。



    推薦產(chǎn)品

   

        SS-X系列

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      QE-R系列

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文獻參考自Nature Communications.2024_ DOI: 10.1038/s41467-024-51551-y

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