前言
雙面鈣鈦礦太陽能電池 (Bi-PSCs) 因其可雙面吸光提高光利用效率而備受關(guān)注。真空沉積法制備的 Bi-PSCs 盡管具有高質(zhì)量薄膜的優(yōu)勢(shì),但仍需優(yōu)化透明電極和界面層以光電流收集,并平衡頂部和底部照射條件下的性能差異。
西班牙巴倫西亞大學(xué) Henk J. Bolink 團(tuán)隊(duì)在 2024 年發(fā)表于《ACS Energy Letters》(27st Aug.2024_ DOI: 10.1021/acsenergylett.4c01536)的研究中,利用真空沉積技術(shù)制備了高效穩(wěn)定的雙面鈣鈦礦太陽能電池 (Bi-PSCs)。通過優(yōu)化 ITO 和 LiF 層厚度及封裝方法,顯著提升了 Bi-PSCs 的 Jsc 和 PCE。研究發(fā)現(xiàn),頂部照射下可獲得更高的 Jsc (最高達(dá) 24.98 mA/cm2),突顯了該器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。此外,該研究還探討了 Bi-PSCs 的熱穩(wěn)定性及封裝的影響。
導(dǎo)讀目錄
1. 前言
2. 研究目的
3. 研究方法
4. 器件與表征
5. 結(jié)論
研究目的
本研究旨在通過優(yōu)化雙面鈣鈦礦太陽能電池 (Bi-PSCs) 的結(jié)構(gòu)和制備工藝,實(shí)現(xiàn)其性能,特別是提高短路電流密度 (Jsc) 和功率轉(zhuǎn)換效率 (PCE)。具體研究目標(biāo)包括:
確定 LiF 和 ITO 層的最佳厚度,以減少反射損失并增強(qiáng)光吸收效率,從而提高器件性能。
比較頂部和底部電極在光線收集效率方面的差異,確定更有效利用光照的電極結(jié)構(gòu)。
研究封裝對(duì) Bi-PSCs 性能的影響,特別是分析其在頂部和底部照射條件下的性能差異。
通過熱穩(wěn)定性測(cè)試,評(píng)估 Bi-PSCs 在長(zhǎng)期工作條件下的穩(wěn)定性和耐久性,為實(shí)際應(yīng)用提供參考。
最終,本研究將展示熱蒸發(fā)方法在制備微米級(jí)鈣鈦礦薄膜和高性能 Bi-PSCs 方面的有效性。
研究方法
化學(xué)物質(zhì)的采購: 研究所需化學(xué)物質(zhì)包括 CS-9、TaTm、FAMAPI(由 PbI2、MAI 和 FAI 共蒸鍍而成)、C60、BCP 等。
雙面真空沉積 Bi-PSCs 的制造: Bi-PSCs 的結(jié)構(gòu)為 LiF/玻璃/底 ITO/CS-9/TaTm/FAMAPI/C60/BCP/ITO/Ag,其中 FAMAPI 層通過 PbI2、MAI 和 FAI 的共蒸鍍制備,并使用 QCM 傳感器監(jiān)控和手動(dòng)調(diào)整蒸發(fā)速率。頂部 ITO 電極則采用脈沖激光沉積方法制備,以確保在電池堆疊上的柔和沉積。
器件與表征
器件制備:
真空沉積技術(shù): 利用真空沉積技術(shù)制備 Bi-PSCs,并采用熱蒸發(fā)方法沉積鈣鈦礦薄膜,精確控制薄膜厚度。
脈沖激光沉積 (PLD): 使用 PLD 方法沉積頂部 ITO 電極,以減少對(duì)器件的損傷。
材料選擇: 選用甲胺鎂鉛碘(FAMAPI)作為鈣鈦礦材料,因其具有較高的熱穩(wěn)定性和吸收范圍。
封裝: 使用商業(yè) UV 固化環(huán)氧樹脂封裝劑進(jìn)行封裝,以保護(hù)器件免受環(huán)境影響。
表征方法:
結(jié)構(gòu)表征:使用 X 射線衍射(XRD)分析 FAMAPI 層的晶體結(jié)構(gòu)。
電性能表征:使用太陽能電池測(cè)試系統(tǒng)記錄 J-V 曲線,并使用太陽光模擬器進(jìn)行照明。采用 Enlitech 的 QE-R 系統(tǒng)進(jìn)行 EQE 測(cè)量,并校準(zhǔn)太陽光譜失配。
圖4說明:(a) Bi-PSC裝置結(jié)構(gòu)示意圖:顯示了在使用蓋玻璃封裝后的裝置結(jié)構(gòu),包括各層材料及其厚度。(b) J-V曲線:顯示了在正向(實(shí)線)和反向(虛線)掃描下,裸露Bi-PSC在頂部和底部照射條件下的電流密度-電壓特性,以及在蓋玻璃封裝后的情況。(c) EQE光譜:對(duì)應(yīng)于不同裝置的外部量子效率光譜,顯示了在不同波長(zhǎng)下的光電轉(zhuǎn)換效率。(d) Jsc值的統(tǒng)計(jì)圖:顯示了不同裝置的短路電流密度(Jsc)值的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),黑色實(shí)線表示各子集的平均值。
為評(píng)估真空沉積器件的熱穩(wěn)定性,超級(jí)基底 PSCs 和 Bi-PSCs 在 85°C 氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行了 600 小時(shí)熱壓力測(cè)試。結(jié)果表明,兩種器件均保持了 80% 以上的初始效率。值得注意的是,Bi-PSCs 的 Jsc 在測(cè)試期間持續(xù)增加,而超級(jí)基底器件的 Jsc 則呈下降趨勢(shì)。兩種器件的 FF 均有所下降,與之前報(bào)道的真空沉積 PSCs 的結(jié)果一致。
光學(xué)表征和模擬:使用分光計(jì)測(cè)量吸收和透射光譜,并使用 Enlitech 的 QE-R 系統(tǒng)進(jìn)行反射率測(cè)量。采用基于轉(zhuǎn)移矩陣方法的吸收率和 1-R 模擬,通過自建代碼和 tmm 包執(zhí)行。
圖 1d 對(duì)比了 Bi-PSC 在頂部和底部照射下的反射率損失,表明頂部照射在 480-780 nm 范圍內(nèi)具有更低的反射率,從而帶來更高的 FAMAPI 層光吸收率。模擬結(jié)果顯示,頂部照射下的最高模擬 Jsc 比底部照射高約 1 mA/cm2,因此 Bi-PSC 在頂部照射下有望獲得更高的 Jsc。
在進(jìn)行反射率測(cè)量之前需要校準(zhǔn)系統(tǒng),對(duì)太陽光譜不匹配進(jìn)行修正。使用校準(zhǔn)的硅參考電池來確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。這些步驟對(duì)于獲得準(zhǔn)確的反射率值非常重要,從而評(píng)估太陽能電池的光學(xué)性能和光電轉(zhuǎn)換效率。Enlitech的QE-R系統(tǒng)在太陽能電池的研究和開發(fā)中扮演著關(guān)鍵角色,提供了必要的光學(xué)參數(shù)測(cè)量。
熱穩(wěn)定性測(cè)試:在熱板上對(duì) Bi-PSCs 進(jìn)行熱壓力測(cè)試,以評(píng)估其長(zhǎng)期穩(wěn)定性和耐久性,并記錄其在 85℃ 下的性能穩(wěn)定性。
形貌表征:使用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察薄膜的表面形態(tài)和截面結(jié)構(gòu)。
結(jié)論
展示通過真空沉積技術(shù)制備的雙面鈣鈦礦太陽能電池(Bi-PSCs),這些電池具有優(yōu)化的鈣鈦礦層厚度,特別是使用甲胺鎂鉛碘(FAMAPI)組成。
在頂部照射條件下,Bi-PSCs的短路電流密度(Jsc)高于底部照射條件,且最佳Bi-PSC在頂部照射條件下的功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)達(dá)到了19.6%,在底部照射條件下為18.71%,這導(dǎo)致了約0.95的雙面性因子。
通過使用模擬1-Sun光作為主要照射和白色LED光作為反射(后方)照射的雙面照射條件下,Bi-PSC展示了不同的Jsc值,這取決于反射光的強(qiáng)度。
即使在頂部電極上封裝了蓋玻璃,Bi-PSC在頂部照射條件下的Jsc仍然高于底部照射。
熱穩(wěn)定性測(cè)試顯示,Bi-PSCs和超級(jí)基底太陽能電池(superstrate PSCs)在85℃的熱板上持續(xù)超過600小時(shí)后,仍能保持超過80%的初始PCE。
研究發(fā)現(xiàn),在熱壓力測(cè)試下,Bi-PSCs和superstrate PSCs中的PbI2相的量會(huì)增加,這可能影響到太陽能電池的穩(wěn)定性和性能。
這項(xiàng)研究展示了熱蒸發(fā)方法在制備微米級(jí)鈣鈦礦薄膜,用于雙面鈣鈦礦太陽能電池(Bi-PSCs)應(yīng)用方面的有效性,以及頂部電極在主要AM 1.5 G單面照射條件下產(chǎn)生非常高的短路電流密度(Jsc)值方面的顯著效果。
文獻(xiàn)參考自ACS Energy Letters 27st Aug.2024_ DOI: 10.1021/acsenergylett.4c01536
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