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Science:利用带隙优化制备钙钛矿-钙钛矿叠层电池,实现高光电转换效率

钙钛矿太阳能电池作为一种非常有希望的光伏技术,近几年发展迅猛,光电转换效率也突飞猛进。多数科学家致力于单层器件的研发,单层异质结钙钛矿器件也已经达到了22%的光电转换效率,而多层器件的发展相对较为落后。带隙约为1.75 eV的钙钛矿电池通过与硅电池制备叠层器件,可以使得能量转换效率明显增长。而全钙钛矿的叠层电池具有更低的制造成本,但是,由于底层及顶层器件均需要合适的带隙,制备依然存在挑战。


近日,斯坦福大学Michael D. McGehee牛津大学Henry J. Snaith等人在Science刊文,展示了一种带隙为1.2 eV的钙钛矿材料FA0.75Cs0.25Sn0.5Pb0.5I3(FA = formamidinium),其光电转换效率为14.8%,且器件性能稳定。作者将其与带隙为1.8 eV的FA0.83Cs0.17Pb(I0.5Br0.5)3结合,制备两端全钙钛矿叠层器件,小面积可以达到17%的光电转换效率,而与带隙为1.6 eV且半透明的的FA0.83Cs0.17Pb(I0.5Br0.5)3制备成四端叠层器件,小面积器件的效率可达20.3%,1 cm2大面积器件的效率可以达到16%。(Perovskite-perovskite tandem photovoltaics with optimized bandgaps.Science, 2016, DOI: 10.1126/science.aaf9717)

图1 两端与四端叠层器件的器件结构。图片来源:Science


在平面上制备平整且无针孔且含有Sn的钙钛矿薄膜比较困难,作者利用双溶剂,控制加热温度可以制备品质较好的钙钛矿薄膜。作者还利用理论计算去理解不同Sn含量钙钛矿薄膜的光学带隙变化情况(一定Sn范围内,光学带隙几乎不发生变化)。随后作者对于这些材料的电荷扩散长度、迁移率以及复合寿命进行了测试。图1所示是单层倒装电池的器件结构,作者利用不同的钙钛矿,做了一系列的器件实验,其EQE(外量子效率)的起始位置与材料的吸收非常匹配,50%-75% Sn含量的电池材料吸光可以超过1020 nm。


向钙钛矿电池材料中加入Cs,不仅可以提高电池的效率,而且可以调高电池的稳定性,将25%的FA换成Cs,对于带隙、结晶结构、荧光、形貌、电荷扩散长度等几乎没有什么影响,但是器件性能却得以提高,可以从10.9%提高到14%以上(如表一所示)。


表一 两种钙钛矿材料制备单层器件的光伏参数表

数据来源:Science


之前报道的含Sn的钙钛矿材料,空气稳定性较差。作者测试了本文中两个材料对于空气的稳定性,发现其效率下降很小。另外,作者还测试了对器件的热稳定性进行了测试,发现其与纯Pb的钙钛矿电池相当。


作者利用不同钙钛矿(调节合适的带隙)分别制备了二端及四端叠层电池(包括大面积及小面积),结构如图2所示,都分别取得了非常好的器件性能。其中最关键的一点是其填充因子没有受限于单独的单层电池的最小值,这是由于串联电阻对于高开路电压电池的影响变小。

图2 倒装钙钛矿电池结构。图片来源:Science


从表二可以看出,一般制备得到的叠层电池会比相应的单层电池效率高4%-5%,这表明随着单层钙钛矿电池效率的提升,这种低温制备的聚晶钙钛矿叠层电池有望突破30%的光电转换效率。


表二 不同带隙的钙钛矿材料单层器件以及二端、四端叠层电池器件(不同面积)的器件参数表

数据来源:Science


最后有个小问题,这种全钙钛矿的叠层电池文章中指出可能具有更低的成本,但是相比单层电池,正常情况下叠层电池印刷成本会大幅度提升,不知道各位读者如何看待这个问题。


http://science.sciencemag.org/content/early/2016/10/19/science.aaf9717


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