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復(fù)旦團(tuán)隊(duì)新型硫化物ETL助力鈣鈦礦電池效率提升65%

發(fā)表時(shí)間:2024/11/11 16:19:20

研究成就與亮點(diǎn)

復(fù)旦大學(xué)梁佳研究團(tuán)隊(duì)在Nature Communications期刊發(fā)表題為“Metal chalcogenide electron extraction layers for nip-type tin-based perovskite solar cells”的研究論文,成功地以金屬硫?qū)倩?/strong> Sn(S0.92Se0.08)2 作為電子傳輸層(ETL),應(yīng)用于 n-i-p 型錫基鈣鈦礦太陽能電池,顯著提高了器件性能。與傳統(tǒng)氧化物 ETL 相比,Sn(S0.92Se0.08)2 ETL 能有效抑制錫基鈣鈦礦材料中Sn2+ 的氧化,并改善能級匹配,從而提高開路電壓(VOC)和功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)。 研究成果包含:


研究團(tuán)隊(duì)

本研究由復(fù)旦大學(xué)梁佳研究員為論文通訊作者,復(fù)旦大學(xué)Li Tianpeng、東華大學(xué)Li Bin為論文共同第一作者,復(fù)旦大學(xué)詹義強(qiáng)老師共同完成。


研究背景

錫基鈣鈦礦太陽能電池因其生物兼容性、窄帶隙和長熱載流子壽命而受到關(guān)注。然而,nip 型錫基鈣鈦礦太陽能電池表現(xiàn)不佳,主要是由于不加選擇地使用最初為 nip 型鉛基鈣鈦礦太陽能電池設(shè)計(jì)的金屬氧化物電子傳輸層。

在這里,研究團(tuán)隊(duì)揭示了這種表現(xiàn)不佳是由金屬氧化物中的氧空位和更深的能級引起的。為了解決這些問題,研究團(tuán)隊(duì)提出了一種金屬硫系電子傳遞層,特別是 SnS0.92Se0.082,它繞過了氧分子的解吸并阻礙了 Sn2+ 氧化。

因此,具有 SnS0.92Se0.082 的錫基鈣鈦礦太陽能電池的 VOC 0.48 – 0.73 V 提高,功率轉(zhuǎn)換效率從 6.98 – 11.78% 提高。

此外,這些細(xì)胞表現(xiàn)出更高的穩(wěn)定性,在1632小時(shí)后仍保持超過95%的初始效率。研究結(jié)果表明,金屬硫?qū)倩锸俏磥?/span> nip 型錫基鈣鈦礦太陽能電池應(yīng)用的有希望的候選者。


解決方案

本研究闡明了 n-i-p TPSCs 光伏性能不佳的根源,以及金屬氧化物 ETL 影響其性能的潛在機(jī)制。具體而言,研究證明了 TiO2 中氧空位的氧分子解吸會觸發(fā)錫基鈣鈦礦中 Sn2+ Sn4+ 的氧化過程。

此外,TiO2 ETL 的深能級導(dǎo)致 VOC 降低。為了解決這些挑戰(zhàn),本研究將金屬混合硫?qū)倩?/span> Sn(S0.92Se0.08)2 作為 ETL 引入 n-i-p TPSC。與傳統(tǒng)的金屬氧化物 ETL 不同,

Sn(S0.92Se0.08)2 ETL 不僅避免了 O2 分子的解吸,而且還阻止了錫基鈣鈦礦中的 Sn2+ 離子與空氣中的 O2 分子之間的反應(yīng)

此外,與金屬氧化物相比,Sn(S0.92Se0.08)2 ETL 具有更淺的導(dǎo)帶最小值(CBM)位置。此外,它還具備其他一些優(yōu)點(diǎn),包括改進(jìn)的形貌、更高的電導(dǎo)率和更高的電子遷移率。這些特性使采用 Sn(S0.92Se0.08)2 ETL n-i-p TPSC VOC 0.48 V 顯著提高到 0.73 V,PCE 6.98% 提高到 11.78%,提高了 65% 以上。

此外,Sn(S0.92Se0.08)2 ETL 還顯著提高了 n-i-p TPSC 的運(yùn)行穩(wěn)定性。


實(shí)驗(yàn)過程與步驟

為探討金屬氧化物 ETL n-i-p TPSCs 的影響,本研究重點(diǎn)研究了廣泛使用的 FTO/TiO2/錫基鈣鈦礦/PTAA/Ag 結(jié)構(gòu)。

TiO2 ETL 使用丁醇鈦溶液沉積在 FTO 基板上,隨后在 450°C 下退火。然后,使用一步沉積法將錫基鈣鈦礦 PEA0.15FA0.85SnI2.85Br0.15 沉積在 TiO2 ETL 上。

本研究通過水熱法合成了金屬混合硫?qū)倩?/span> Sn(SxSey)2,作為 n-i-p TPSCs ETL 的有希望的候選材料。詳細(xì)的合成步驟見方法部分。


研究表征


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J-V 特性曲線: 本研究透過光焱科技SS-X 標(biāo)準(zhǔn)光譜太陽光模擬器,在 AM 1.5 G 光照下,光強(qiáng)為 100 mW/cm21 個(gè)太陽光強(qiáng))的條件下進(jìn)行 J-V 特性曲線測試。采用正向/反向掃描模式(掃描速率為 0.01 V/s)。在測試之前,使用標(biāo)準(zhǔn) Si 參考電池(ENLITECH SRC-2020-KG1-RTD)校準(zhǔn)光強(qiáng)?;钚悦娣e為 0.04-1 cm2。
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相應(yīng)的光伏參數(shù)列于補(bǔ)充表 5 中。采用 TiO2 ETL n-i-p TPSC PCE 6.98%Voc 0.48 V,短路電流密度(JSC)為 20.47 mA/cm2,填充因子(FF)為 71.11%,與之前的報(bào)導(dǎo)相當(dāng)。
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正如預(yù)期的那樣,使用金屬硫?qū)倩镒鳛?/span> ETL 后,n-i-p TPSCs 的所有光伏參數(shù)都顯著提高。具體而言,采用 SnS2 ETL n-i-p TPSC PCE 9.03%,Voc = 0.57 VJSC = 21.89 mA/cm2,FF = 72.88%,而采用 Sn(S0.92Se0.08)2 ETL n-i-p TPSC PCE 11.78%,Voc = 0.73 VJSC = 22.28 mA/cm2,FF = 72.68%。

當(dāng)通常使用的 TiO2 ETL Sn(S0.92Se0.08)2 ETL 替換后,n-i-p TPSCs PCE 提高了 65% 以上。研究團(tuán)隊(duì)從上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所獲得了 n-i-p TPSC 的認(rèn)證 PCE,為 10.57%(補(bǔ)充圖 17)。

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補(bǔ)充表 1表格中列出了代表性 nip TPSC 的光伏性能數(shù)據(jù),包括使用不同金屬氧化物 ETL (TiO2 SnO2) 的器件的 Voc。大部分使用金屬氧化物 ETL nip TPSC Voc < 0.5 V,遠(yuǎn)低于理論預(yù)期值。這表明金屬氧化物 ETL 可能是導(dǎo)致 nip TPSC Voc 損耗的主要原因。

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ENLITECH SS-X100R 作為太陽能模擬器,提供標(biāo)準(zhǔn)的 AM 1.5 G 光照條件 (100 mW/cm2) 進(jìn)行 J-V 曲線測試, 確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可比性。




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4c 進(jìn)一步表明,采用 Sn(S0.92Se0.08)2 薄膜的 n-i-p TPSC PCE 令人印象深刻,它顯著超過了之前報(bào)導(dǎo)的采用 TiO2 薄膜的 n-i-p TPSCs PCE。盡管取得了這一重大進(jìn)展,但未來仍有必要通過多種策略進(jìn)一步提高 n-i-p TPSCs 的光伏性能。

例如,在 Sn(S0.92Se0.08)2 ETL 中引入添加劑可以進(jìn)一步提高其 CBM。此外,在 Sn(S0.92Se0.08)2 ETL 表面應(yīng)用超薄層可能有助于抑制復(fù)合,并改善錫基鈣鈦礦層的形貌。這些方法對于進(jìn)一步優(yōu)化 n-i-p TPSCs 的性能至關(guān)重要。

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ENLITECH QE-R 系統(tǒng)在文獻(xiàn)中被用于進(jìn)行 IPCE 測量,以評估不同 ETL nip TPSC 光電轉(zhuǎn)換效率的影響,并產(chǎn)生了圖 4d 中的 IPCE 光譜和積分 Jsc 值。




其他表征技術(shù)

3h 展示了沉積在 TiO2、SnS2 Sn(S0.92Se0.08)2 ETL 上的錫基鈣鈦礦薄膜的光致發(fā)光 (PL) 光譜。沉積在 SnS2 Sn(S0.92Se0.08)2 薄膜上的錫基鈣鈦礦,其 PL 光譜強(qiáng)度低于沉積在 TiO2 薄膜上的錫基鈣鈦礦。這個(gè)結(jié)果表明,從錫基鈣鈦礦薄膜到金屬硫?qū)倩衔锏碾娮愚D(zhuǎn)移效率更高。此外,沉積在 Sn(S0.92Se0.08)2 薄膜上的錫基鈣鈦礦薄膜在三種樣品中呈現(xiàn)的 PL 光譜強(qiáng)度,與 Sn(S0.92Se0.08)2 薄膜與錫基鈣鈦礦之間具有交互作用的結(jié)果一致。

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研究成果

本研究揭示了金屬氧化物 ETL n-i-p TPSCs 性能造成不利影響的根本原因和潛在機(jī)制。這主要是由于兩個(gè)因素:氧空位的氧分子解吸,將錫基鈣鈦礦中的 Sn2+ 氧化為 Sn4+,以及 TiO2 ETL 的能級不匹配,降低了 VOC。

為了應(yīng)對這些問題,本研究將金屬混合硫?qū)倩?/span> Sn(S0.92Se金屬硫?qū)倩镫娮犹崛訛?/span>nip型錫基鈣鈦礦太陽能電池的應(yīng)用帶來了新的希望。

錫基鈣鈦礦太陽能電池具有良好的窄帶隙和較長的熱載流子壽命。

然而,nip型錫基鈣鈦礦太陽能電池的性能一直不佳,主要原因是使用了最初為nip型鉛基鈣鈦礦太陽能電池設(shè)計(jì)的金屬氧化物電子傳輸層。

本研究揭示了這種性能不佳的原因是金屬氧化物中的氧空位和更深的能級。

為了解決這些問題,研究提出了一種金屬硫?qū)倩镫娮觽鬏攲?,特別是 Sn(S0.92Se0.08)2,它可以避免氧分子解吸并阻止 Sn2+ 的氧化。

結(jié)果表明,采用 Sn(S0.92Se0.08)2 的錫基鈣鈦礦太陽能電池的 VOC 0.48 V 增加到 0.73 V,功率轉(zhuǎn)換效率從 6.98% 提升到 11.78%。

此外,這些電池還表現(xiàn)出更高的穩(wěn)定性,在 1632 小時(shí)后仍能保持超過 95% 的初始效率。這些研究結(jié)果表明,金屬硫?qū)倩锸俏磥韓ip型錫基鈣鈦礦太陽能電池應(yīng)用的有希望的候選材料。



文獻(xiàn)參考自Nature Communications_DOI: 10.1038/s41467-024-53713-4

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