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2022 Adv. Mater.:選擇性靶向錨定策略製備高效穩定的理想帶隙鈣鈦礦太陽能電池

A Selective Targeting Anchor Strategy Affords Efficient and Stable Ideal-Bandgap Perovskite Solar Cells

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本文亮點

  選擇性靶向錨定策略製備高效穩定的理想帶隙鈣鈦礦太陽能電池的研究成果。建立了選擇性靶向錨定策略(STA),採用苯乙基碘化銨(PEAI)和乙二胺二碘化物(EDAI)作為共改性劑,分別選擇性地錨定與鉛和錫相關的活性位元點並鈍化雙金屬陷阱。通過DFT計算和光電技術,證明了Pb和Sn相關的A位空位被推入更深的能量深度,導致嚴重的非輻射複合。

  鉛錫混合PSCs的VOC從0.79 V顯著提高到0.90V,獲得了22.51%的冠軍效率,這是報告的理想帶隙鈣鈦礦太陽能電池中最高的效率。VOC損失已降至0.43 V。

研究動機

  採用Sn部分取代或全部取代Pb可以降低鈣鈦礦帶隙,當Sn比例為20%時,帶隙能降至理想值1.33 eV左右。但20% Sn含量是鈣鈦礦帶隙變化的臨界值,其中存在大量的缺陷,導致非輻射複合造成嚴重的開路電壓損失(VOC loss)。根據以往的研究,造成開路電壓損失的具體原因主要有兩個:

  (1) Sn2+易氧化成Sn4+引起嚴重的自p摻雜,形成Sn空位並引入額外的p型電荷;

  (2) Sn與有機組分的反應強於Pb,使得結晶過程過快和不受控,導致薄膜品質較差,缺陷密度增加。

本文所用儀器

研究成果說明

Summary of recent work on LTPSC and the relationship between bandgap variation and Sn content ratio

  研究人員通過定向選擇錨定策略對鈣鈦礦進行鈍化處理,獲得了理想帶隙鈣鈦礦太陽能電池22.51%的光電轉化效率記錄。研究結果表明,鉛錫混合鈣鈦礦太陽能電池中雙金屬的缺陷是導致其性能退化的主要原因,因此研究人員採用2-苯乙胺氫碘酸鹽 (PEAI) 和乙二胺氫碘酸鹽 (EDAI) 作為共修飾劑對鈣鈦礦進行表面處理,分別選擇性錨定與Pb和Sn相關的活性位元點並對兩種金屬缺陷進行鈍化。最終鉛錫混合鈣鈦礦太陽能電池的開路電壓 (VOC) 從0.79 V大幅提高到0.90 V,開路電壓的損失降低到0.43 V。此外,器件表現出了極佳的穩定性,在氮氣手套箱中存儲2700小時後,仍可以保持初始效率的80%。該工作為鉛錫鈣鈦礦太陽能電池管理金屬雙源缺陷提供了一個有效的鈍化機制。

Schematic diagram of the change of defect energy level before and after insufficient Sn doping
TRPL diagram - Perovskite films deposited on quartz glass

本文關鍵字:選擇性靶向錨定、Selective Targeting Anchor、理想帶隙鈣鈦礦太陽能電池、Ideal-Bandgap Perovskite Solar Cell、太陽光模擬器、Solar Simulator、Sun Simulator

原文:https://doi.org/10.1002/adma.202110241

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