武漢大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院柯維俊團(tuán)隊(duì)最新發(fā)表研究,這項(xiàng)研究的主要成就包括:
效率提升:通過使用氧氨基酸鉀鹽(OAPS)作為添加劑,研究人員成功提高了錫鉛混合窄帶隙鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)的功率轉(zhuǎn)換效率(PCE),達(dá)到了22.04%。
穩(wěn)定性改善:OAPS的引入顯著改善了鈣鈦礦薄膜的穩(wěn)定性,未封裝的設(shè)備在氮?dú)猸h(huán)境中儲(chǔ)存3072小時(shí)后仍保持了91%的初始PCE。
全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池(TSCs)的性能:研究還展示了OAPS在全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池中的應(yīng)用,其中兩端和四端的配置分別達(dá)到了27.17%和28.31%的效率。
簡便的方法:OAPS的引入提供了一種簡便的方法來優(yōu)化鈣鈦礦太陽能電池的性能,有助于推動(dòng)該技術(shù)的商業(yè)化和實(shí)際應(yīng)用。
其中觀點(diǎn)包含:
1.創(chuàng)新的添加劑:OAPS作為一種新型的多功能添加劑,其在鈣鈦礦太陽能電池中的應(yīng)用是一個(gè)創(chuàng)新的研究方向。
2.解決錫離子氧化問題:研究提出了一種有效方法來解決錫離子的氧化問題,這是錫鉛混合鈣鈦礦太陽能電池中的一個(gè)主要挑戰(zhàn)。
3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果:研究提供了有力的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),證明了OAPS在提高效率和穩(wěn)定性方面的有效性,對(duì)鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展具有重要意義。
4.潛在的商業(yè)應(yīng)用:由于OAPS能夠顯著提升鈣鈦礦太陽能電池的性能,這項(xiàng)研究對(duì)尋求提高太陽能電池效率和穩(wěn)定性的商業(yè)應(yīng)用具有吸引力。
在這項(xiàng)研究之前,錫鉛混合鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)發(fā)展的主要難題是錫離子的氧化問題。錫的二價(jià)態(tài)(Sn2+)容易自發(fā)氧化成四價(jià)態(tài)(Sn4+),這會(huì)導(dǎo)致電池效率下降,因?yàn)?/span>Sn4+雜質(zhì)會(huì)損害鈣鈦礦薄膜的質(zhì)量。此外,這種氧化過程還會(huì)影響電池的穩(wěn)定性和壽命。因此,如何有效抑制Sn2+的氧化并去除Sn4+雜質(zhì),是提高錫鉛混合鈣鈦礦太陽能電池性能和穩(wěn)定性的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
這項(xiàng)研究通過引入一種稱為氧氨基酸鉀鹽(OAPS)的多功能添加劑來解決錫離子氧化的問題。OAPS能夠有效捕捉四價(jià)錫(Sn4+)雜質(zhì),從而抑制二價(jià)錫(Sn2+)的氧化過程。該添加劑通過其功能性氨基酸基團(tuán)與Sn4+雜質(zhì)發(fā)生強(qiáng)相互作用,減少缺陷,改善鈣鈦礦薄膜的質(zhì)量,并提高錫鉛混合鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩(wěn)定性。通過這種方法,研究人員成功提高了錫鉛混合窄帶隙鈣鈦礦太陽能電池的功率轉(zhuǎn)換效率,并改善了其在氮?dú)猸h(huán)境中的儲(chǔ)存穩(wěn)定性。
c. EQE曲線:外量子效率(EQE)曲線顯示目標(biāo)樣品在光譜范圍內(nèi)的光電轉(zhuǎn)換效率高于對(duì)照樣品。
這項(xiàng)研究提出了一種稱為氧氨基酸鉀鹽(OAPS)的多功能添加劑,用于解決錫鉛混合鈣鈦礦太陽能電池中錫離子的氧化問題。在實(shí)驗(yàn)過程中,研究人員采取了以下步驟:
合成Sn-Pb混合NBG鈣鈦礦薄膜:研究人員合成了成分為FA0.7MA0.3Pb0.5Sn0.5I3的錫鉛混合窄帶隙鈣鈦礦薄膜,作為光吸收層。
OAPS的引入:在鈣鈦礦前驅(qū)體溶液中加入OAPS,以捕捉Sn4+雜質(zhì)并抑制Sn2+的氧化。
薄膜的制備和表征:制備了含OAPS和不含OAPS的鈣鈦礦薄膜,并通過掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線光電子能譜(XPS)等技術(shù)對(duì)薄膜進(jìn)行表征,以評(píng)估OAPS的效果。
器件的制備和性能評(píng)估:制備了含OAPS和不含OAPS的單結(jié)錫鉛PSCs,并評(píng)估了它們的性能,包括功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)和穩(wěn)定性。
優(yōu)化OAPS的濃度:為了確定OAPS在錫鉛鈣鈦礦器件中的最佳濃度,研究人員制備了多個(gè)單結(jié)錫鉛PSCs,并評(píng)估了它們?cè)诓煌?/span>OAPS濃度下的性能。
全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池的制備和性能評(píng)估:使用含OAPS的錫鉛窄帶隙PSCs作為子電池,制備了全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池,并評(píng)估了其性能。
這些步驟展示了研究人員如何系統(tǒng)地引入和評(píng)估OAPS在錫鉛混合鈣鈦礦太陽能電池中的效果,從而提高其效率和穩(wěn)定性。
研究團(tuán)隊(duì)通過一系列表征技術(shù)來佐證他們的成果,這些技術(shù)包括:
掃描電子顯微鏡(SEM):用于觀察鈣鈦礦薄膜的表面形態(tài)和結(jié)構(gòu),以評(píng)估OAPS對(duì)薄膜質(zhì)量的影響。
X射線光電子能譜(XPS):用于分析薄膜的化學(xué)組成和元素的化學(xué)態(tài),特別是錫離子的價(jià)態(tài),以證明OAPS對(duì)抑制Sn2+氧化的效果。
紫外-可見吸收光譜(UV-Vis):用于測(cè)量薄膜的光吸收特性,以評(píng)估OAPS對(duì)薄膜光學(xué)性質(zhì)的影響。
光致發(fā)光(PL)光譜:用于研究薄膜的激發(fā)和發(fā)光特性,了解OAPS對(duì)薄膜缺陷密度的影響。
時(shí)間分辨光致發(fā)光(TRPL):用于測(cè)量激發(fā)態(tài)載流子的壽命,進(jìn)一步了解OAPS對(duì)薄膜質(zhì)量的影響。
X射線衍射(XRD):用于分析薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和對(duì)應(yīng)的晶體質(zhì)量。
電流-電壓(J-V)測(cè)量:用于評(píng)估太陽能電池的性能參數(shù),如開路電壓(Voc)、短路電流密度(Jsc)、填充因子(FF)和功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)。
熱穩(wěn)定性和光穩(wěn)定性測(cè)試:用于評(píng)估含OAPS的鈣鈦礦太陽能電池在不同環(huán)境條件下的穩(wěn)定性。
這些表征技術(shù)幫助研究團(tuán)隊(duì)全面理解OAPS在錫鉛混合鈣鈦礦太陽能電池中的作用機(jī)制,并證實(shí)了OAPS對(duì)提高電池效率和穩(wěn)定性的有效性。
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這圖顯示了D18:2BO_ARC有機(jī)太陽能電池的電流密度-電壓(J-V)曲線。圖中提供了以下關(guān)鍵性能參數(shù):
開路電壓(VOC)= 0.938 V
短路電流密度(JSC)= 26.8 mA/cm2
填充因子(FF)= 75.6%
光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)= 19.1%
這些數(shù)據(jù)通常是使用Enlitech的SS-X50太陽模擬器進(jìn)行測(cè)量的,用于評(píng)估太陽能電池的性能。
這張圖(Figure S11)顯示了兩種有機(jī)太陽能電池材料(D18和D18:2BO)的外部量子效率(EQE)光譜。圖中展示了在不同波長下的EQE百分比,并標(biāo)示了最大吸收波長(λmax)。這些數(shù)據(jù)通常是使用Enlitech的QE-R太陽能電池光譜響應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)獲得的,用于分析材料的光電轉(zhuǎn)換效率和能隙。
這張圖(Figure S12)顯示了D18和D18:2BO在低光子能量區(qū)域的外部量子效率(EQEFTPS)光譜。圖中展示了不同能量下的EQE百分比,并標(biāo)示了兩種材料的能隙尾(Eu),分別為0.039 eV和0.036 eV。此數(shù)據(jù)通常是使用Enlitech的光譜響應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)獲得的,用于分析材料的光電特性和能隙尾。
2端子全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池(TSC)的研究結(jié)果:
a. 裝置結(jié)構(gòu):顯示了2端子全鈣鈦礦TSC的層狀結(jié)構(gòu),包括NBG和WBG鈣鈦礦層。
b. 橫截面SEM圖像:展示了電池的橫截面結(jié)構(gòu),顯示各層的厚度和排列。
c. J-V曲線:顯示了正向和反向掃描的電流密度-電壓特性,表現(xiàn)出良好的一致性。
d. EQE曲線:顯示了WBG和NBG子電池的外量子效率(EQE),分別為15.99和15.28 mA/cm2。
e. 穩(wěn)態(tài)功率輸出:2端子串聯(lián)太陽能電池的穩(wěn)態(tài)PCE為27.1%。
這些結(jié)果證明了2端子全鈣鈦礦TSC的高效率和穩(wěn)定性。
研究成果的結(jié)論如下:
效率提升:通過在錫鉛混合窄帶隙鈣鈦礦太陽能電池中引入氧氨基酸鉀鹽(OAPS),研究人員成功提高了功率
穩(wěn)定性改善:OAPS的添加顯著提高了鈣鈦礦薄膜的穩(wěn)定性,未經(jīng)封裝的設(shè)備在氮?dú)猸h(huán)境中存儲(chǔ)3072小時(shí)后,仍保持了91%的初始PCE。
全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池的性能:研究還展示了OAPS在全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池中的應(yīng)用,其中雙端子和四端子配置的效率分別達(dá)到了27.17%和28.31%。
簡便的方法:OAPS的引入提供了一種簡便有效的方法來優(yōu)化鈣鈦礦太陽能電池的性能,有助于推動(dòng)該技術(shù)的商業(yè)化和實(shí)際應(yīng)用。
科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性:研究團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性、多種表征技術(shù)、對(duì)照實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)共享、同行評(píng)審和公開發(fā)表等方式,確保了研究的科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性和可重復(fù)性。
總之,該研究提供了一種有效方法,解決了錫鉛混合鈣鈦礦太陽能電池中的錫離子氧化問題,并通過OAPS的添加顯著提高了電池的效率和穩(wěn)定性。
SS-X 可以提供穩(wěn)定和連續(xù)的輻照度來照射被測(cè)太陽能電池,避免由于這些太陽能電池響應(yīng)時(shí)間慢而導(dǎo)致的表征錯(cuò)誤。
QE-R 量子效率系統(tǒng)是一款可提供電池 EQE 的光伏電池測(cè)試儀。 系統(tǒng)被 500 多個(gè)優(yōu)秀光伏研究實(shí)驗(yàn)室采用,近 10 年發(fā)表 SCI 論文 1000 余篇,包括 Nature、Science、Joule、Advanced Materials 等多家旗艦期刊。IPCE、IQE 和光譜響應(yīng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確快速。 QE-R 量子效率系統(tǒng)提供的量子效率信息通常被光伏研究人員用來說明和研究器件設(shè)計(jì)、器件性能、工藝改進(jìn)、材料帶隙、雜質(zhì)或陷阱。
文獻(xiàn)參考自ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS_DOI: 10.1002/adfm.202412458
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