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陈江照& Nam-Gyu Park Solar RRL:通过提升开路电压和填充因子实现超过30%效率钙钛矿太阳能电池的方法

发布时间:2021-11-12



北京颐光新源科技有限公司是一家集开发、制造和销售光学元器件、光谱仪器、光电设备和与光学系统有关的仪器设备为一体的高新技术企业。产品涉及太阳能电池测试系统,各种光源,太阳模拟器,单色仪,分光光度计,各种光谱仪器,时间相关荧光光谱测量,皮秒激光和皮秒光源,CCD,ICCD,红外面阵探测器,光电倍增管,光学元器件,光学镀膜产品,电光源及LED测量系统等。

拥有优异光电性能的金属卤钙钛矿材料已经被广泛应用于各种各样的光电器件。其中,钙钛矿太阳能电池引起了学术界与工业界的广泛关注。得益于各种各样策略的使用,钙钛矿太阳能电池的效率从2009不稳定的3.8%飙升到目前认证的25.5%,使得其展现了巨大的商业化应用前景。与此同时,自全固态钙钛矿太阳能电池首次报道9.7%的效率以来,其稳定性取得了长足的进展。尽管效率与稳定性取得了巨大的进展,但是仍然有必要进一步提升器件的效率与稳定性,以便最大程度释放电池的潜力。鉴于单结钙钛矿电池的理论极限效率超过30%,在效率提升方面仍然有巨大的空间。

为了进一步提升电池效率,如何在不牺牲电流密度的前提下增加开路电压与填充因子一个需要回答的问题。众所周知,短路电流密度主要由钙钛矿材料的光吸收范围与吸收强度决定,光吸收范围又由带隙决定。需要指出的是,优化钙钛矿薄膜质量很难显著提升电流密度。因此,选择窄带隙钙钛矿材料是实现高电流密度及高效钙钛矿太阳能电池的前提条件。在钙钛矿太阳能电池发展的初期,MAPbI3钙钛矿使用最为广泛,研究最为充分。基于MAPbI3的器件常常显示低于22 mA/cm2的电流。接下来,甲脒阳离子(FA+)被使用来部分或完全取代甲铵阳离子(MA+)以减小带隙与拓宽吸收光谱。在所有纯Pb基钙钛矿中,FAPbI3拥有最窄的带隙(1.45~1.52 eV)。最近两年,有关FAPbI3的效率及相稳定性研究取得了巨大的进展。迄今为止,基于FAPbI3的电池已经实现了超过24%的效率。通过在FAPbI3引入少量的铯、MA和/或溴实现了超过25%的效率。这说明实现光捕获效率与相稳定性的平衡极为重要。

开路电压与电充因子与体相与界面非辐射复合密切相关,这主要由钙钛矿薄膜质量决定。因此,选择纯FA或富FA基低带隙钙钛矿之后,制备少缺陷、大晶粒尺寸的高质量钙钛矿薄膜是实现高效钙钛矿太阳能电池的关键。迄今为止,各种各样的策略已经被开发来优化钙钛矿薄膜质量,主要包括沉积方法、溶剂工程、添加剂工程及界面工程。这些通用的方法也适用于纯FA或富FA基低带隙钙钛矿。得益于这些策略,基于富FA基钙钛矿电池已经实现了超过25%的效率,该效率远远高于宽带隙钙钛矿电池(如MAPbI3)的效率。通过分析纯FA或富FA基低带隙钙钛矿电池与宽带隙钙钛矿电池的光伏性能参数发现,他们之间的效率差距主要源于电流密度。宽带隙钙钛矿电池的电流密度常常低于24 mA/cm2而纯FA或富FA基低带隙钙钛矿电池的电流密度常常高于24 mA/cm2。以上研究结果表明如何在不牺牲电流密度的前提下进一步增加电压与填充因子是实现高效电池的关键。

最近几年,大量的研究工作聚焦于纯FA或富FA基低带隙钙钛矿电池的光伏性能,取得了巨大的研究进展。鉴于此,重庆大学陈江照研究员和韩国成均馆大学Nam-Gyu Park教授从组分工程、沉积方法、溶剂工程、添加剂工程及界面工程的角度讨论了基于纯FA或富FA基低带隙高效率钙钛矿太阳能电池(效率超过23%)的研究进展。需要指出的是,本文聚焦讨论了纯FA或富FA铅基钙钛矿材料。基于详细的分析与讨论,本文指出了进一步提升纯FA或富FA铅基钙钛矿太阳能电池效率的策略、方法及研究方向。

北京颐光新源科技有限公司是一家集开发、制造和销售光学元器件、光谱仪器、光电设备和与光学系统有关的仪器设备为一体的高新技术企业。产品涉及太阳能电池测试系统,各种光源,太阳模拟器,单色仪,分光光度计,各种光谱仪器,时间相关荧光光谱测量,皮秒激光和皮秒光源,CCD,ICCD,红外面阵探测器,光电倍增管,光学元器件,光学镀膜产品,电光源及LED测量系统等。

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北京颐光新源科技有限公司是一家集开发、制造和销售光学元器件、光谱仪器、光电设备和与光学系统有关的仪器设备为一体的高新技术企业。产品涉及太阳能电池测试系统,各种光源,太阳模拟器,单色仪,分光光度计,各种光谱仪器,时间相关荧光光谱测量,皮秒激光和皮秒光源,CCD,ICCD,红外面阵探测器,光电倍增管,光学元器件,光学镀膜产品,电光源及LED测量系统等。

Figure 1. (a) Calculated Shockley–Queisser limit PCEs (black line) and the champion PCEs (data points) for various solar cells depending on the bandgaps of light absorbers. The PCE of 25.6% for perovskite was updated from the previous literature. (b) J-V curves of PSC with a bandgap of 1.6 eV depending on radiative, SRH, and/or interface recombination. Reproduced with permission.

Jiangzhao Chen#*, Dongmei He#, and Nam-Gyu Park*. Methodologies for >30% efficient perovskite solar cells via enhancement of voltage and fill factor. Solar RRL 2021, DOI:10.1002/solr.202100767. 链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/solr.202100767


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