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上海硅酸鹽所在碳電極鈣鈦礦太陽能電池界面優化和效率提升研究中取得系列進展
發布時間: 2021-07-15 11:10 | 【 【打印】【關閉】

  太陽能是一種取之不盡、用之不竭的清潔能源。太陽能電池可以實現光能到電能的高效轉換,并且不造成環境污染和碳排放。發展高效率太陽能電池有助于我國實現“碳達峰碳中和”的遠景目標。新一代的鈣鈦礦太陽能電池具有效率高、缺陷容忍度高、可溶液法制備、成本低等優點,在單結和多結太陽能電池中都體現了優異的光電轉換效率。然而,使用貴金屬電極不利于降低器件成本。碳電極成本低廉、制備工藝簡單且穩定。全印刷工藝制備的大面積(>70cm2)碳電極鈣鈦礦太陽能電池已經取得了13%以上的光電轉換效率,并且器件穩定性優異。但是碳電極與鈣鈦礦的界面接觸面積小、空穴傳輸層缺失、能級失配嚴重等問題依然存在。此外,印刷碳電極的熱處理工藝也會損傷底部的鈣鈦礦吸光層。因此解決碳電極/鈣鈦礦的界面接觸不良和能級失配、適當引入穩定的空穴傳輸層、優化熱處理工藝對提升碳電極鈣鈦礦太陽能電池具有重要意義。

  最近,中國科學院上海硅酸鹽研究所楊松旺研究員帶領的團隊在印刷碳電極鈣鈦礦太陽能電池方面取得新進展。該團隊針對碳電極/CsPbI2Br鈣鈦礦界面接觸不良和能級失配的問題,提出使用炭黑納米顆粒構建炭黑中間層,達到優化界面載流子提取的目的。研究發現炭黑中間層的功函(-5.10 eV)介于CsPbI2Br鈣鈦礦的價帶頂(-5.44 eV)與碳電極的功函(-5.03 eV)之間,起到了減少界面能級失配的作用;炭黑中間層致密且均勻,與CsPbI2Br鈣鈦礦和碳電極之間都有充分的界面接觸。以上兩點保證了光生空穴的有效提取,最優器件的光電轉換效率達到了13.13%。并且基于炭黑中間層的器件在85oC持續加熱2000小時后仍保持約90%的初始效率,顯示出極佳的熱穩定性。為進一步提升碳電極器件效率,該研究團隊在(CsFAMA)Pb(IBr)3鈣鈦礦與碳電極之間引入無機CuSCN作為空穴傳輸層材料來提升空穴提取能力和器件效率。研究發現碳電極在通常的熱處理溫度(100oC)會加速SCN-在鈣鈦礦中的擴散,降低器件性能。為此,研究團隊發展了一種真空輔助的低溫碳電極烘干工藝。該工藝可在較低溫度(<60oC)加速溶劑揮發,緩解制備過程中引起的SCN-擴散導致的性能衰退,將器件性能提升至15.72%。穩定性測試顯示該器件在300小時持續光照或者1000小時未封裝保存時仍保持約85%的初始效率,表明該器件具有較好的穩定性。相關研究成果分別以“CsPbI2Br Perovskite Solar Cells Based on Carbon Black-Containing Counter Electrodes”和“Vacuum-Assisted Drying Process for Screen-Printable Carbon Electrodes of Perovskite Solar Cells with Enhanced Performance Based on Cuprous Thiocyanate as a Hole Transporting Layer”為題,發表在材料類期刊ACS Applied Materials & Interfaces (DOI: 10.1021/acsami.0c08006,10.1021/acsami.1c05495)。論文第一作者分別為上海硅酸鹽所碩士研究生龔水平和王京,論文通訊作者為楊松旺研究員。

  此外,研究團隊還在前期小面積器件研究的基礎上研制了125mm×125mm大面積鈣鈦礦太陽能電池模塊,并進行戶外老化性能測試;建成了小型鈣鈦礦太陽能組件分布式發電示范系統,開展了戶外實證條件下的實際運行數據收集與分析評價工作。

  上述研究工作得到了上海市自然科學基金、上海市人才發展資金資助計劃、中國科學院A類戰略性先導科技專項和企業合作項目的資助。

  相關鏈接:

  https://doi.org/10.1021/acsami.0c08006 

  https://doi.org/10.1021/acsami.1c05495

炭黑中間層提升碳電極全無機鈣鈦礦電池效率

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