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Angew(IF>16.823)中國陝西師範大學田慶文&劉生忠 管理多種鹵素相關缺陷實現高效穩定的無機鈣鈦礦太陽能電池

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Angew(IF>16.823)中國陝西師範大學田慶文&劉生忠 管理多種鹵素相關缺陷實現高效穩定的無機鈣鈦礦太陽能電池 AngewIF16.823陕西师范大学田庆文刘生忠 管理多种卤素相关缺陷实现高效稳定的无机钙钛矿太阳能电池

重點摘要

陝西師範大學的田慶文 教授和劉生忠 教授領導的研究團隊近期在國際知名期刊Angew上公布了一項突破性的研究。該研究主要針對無機鹵化物鈣鈦礦太陽能電池,發現碘間隙原子(Ii)與碘空位(VI)在形成能上具有相似性。這些缺陷會引起電荷的復合,進而影響電池的效能和穩定性。為了解決這一問題,研究團隊成功地運用二氨基吡啶(2,6-DAPy)鈍化劑,進行了有效的鈍化,從而大大提高了電池的效能。使用此技術後,功率轉換效率從原本的19.6%提高到21.8%。

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研究背景

太陽能電池是當今最具潛力的可再生能源之一。隨著全球能源需求的增長和環境問題的加劇,尋找高效、穩定和環保的太陽能電池技術變得尤為重要。無機鹵化物鈣鈦礦太陽能電池因其出色的光伏特性和簡單的製程技術而受到了廣大研究者的關注。然而,這類電池在使用過程中的穩定性問題一直是制約其商業化的主要障礙。特別是,鹵化物鈣鈦礦太陽能電池中的鹵化物相關表面缺陷是影響其性能和穩定性的主要原因。

近年來,許多研究者致力於尋找解決這一問題的方法。然而,儘管取得了一些進展,但在消除這些缺陷,特別是碘間隙原子(Ii)和碘空位(VI)方面仍然面臨著巨大的挑戰。這些缺陷會導致電荷的復合,從而降低電池的效能和穩定性。為了解決這一問題,需要深入瞭解這些缺陷的形成機制和性質,並開發有效的方法來消除或減少它們。

研究成果

陝西師範大學的田慶文和劉生忠領導的研究團隊對這一問題進行了深入研究。他們首先使用密度泛函理論進行計算,確定了碘間隙原子(Ii)和碘空位(VI)在形成能上的相似性。研究發現,這些缺陷在無機鹵化物鈣鈦礦太陽能電池的製程中容易形成,且可能會嚴重影響電池的效能。

為了解決這一問題,研究團隊選擇了二氨基吡啶(2,6-DAPy)作為鈍化劑。這種鈍化劑的特點是可以通過鹵素-N吡啶和配位鍵的共同作用來消除Ii和遊離的I2,並鈍化豐富的VI。透過這種方法,研究團隊成功地消除了這些缺陷,並大大提高了電池的效能。實驗結果顯示,使用此技術後,功率轉換效率從原本的19.6%提高到了21.8%,這是此類型太陽能電池的最高紀錄。此外,研究還發現,(2,6-DAPy)處理的CsPbI3-xBrx薄膜顯示出了更佳的環境穩定性。

研究方法

  1. 精確稱量CsI、HPbI3原料,配置0.6 M CsPbI3前驅體溶液,配制過程在氮氣保護下進行。溶液旋塗於氧化鈦基底上,4000rpm轉速40秒,210°C退火5分鐘生成CsPbI3鈣鈦礦薄膜。
  2. 使用785nm激光的拉曼光譜儀測試CsPbI3薄膜樣品,檢測 Raman peak 位置,確定薄膜表面是否存在約210cm-1處的碘間隙原子特徵峰。同時,利用熱脫附質譜儀在高溫條件下檢測薄膜釋放的碘相關物種。
  3. 配制0.75 mg/mL的(2,6-DAPy)溶液,5000rpm轉速30秒旋塗於CsPbI3薄膜表面。待乾燥後,使用相同參數重新測試薄膜樣品,觀察碘間隙原子峰的消失。
  4. 在氧化鈦電極上蒸鍍CsPbI3薄膜,之後旋塗Spiro-OMeTAD製備三層結構。測量2,6-DAPy處理前後玻璃/CsPbI3/Spiro層狀結構的瞬態PL衰減曲線,計算載流子壽命的變化。
  5. 製備完整 solar cell,引入(2,6-DAPy)作為鈍化層,測試J-V曲線,確定電池的開路電壓、短路電流密度、填因子和轉換效率的提升值。
  6. 將參考電池和2,6-DAPy處理電池放入氮氣箱(濕度<20%),進行100 mW/cm2 強度光照加速老化實驗,持續測試電池參數,對比穩定性差異。
  7. 實驗採用光焱科技( Enlitech)SS-F5-3A太陽光模擬器以及SRC-2020 Si標準電池

結論

陝西師範大學的田慶文 教受和劉生忠 教授領導的研究團隊的這項研究,為無機鹵化物鈣鈦礦太陽能電池的發展開辟了新的道路。透過有效的鈍化技術,不僅解決了表面缺陷的問題,還大大提高了電池的效能和穩定性。這意味著,未來這種太陽能電池有望在商業市場上得到廣泛的應用,為人們提供更高效、更穩定的綠色能源。此外,這項研究還為其他研究者提供了寶貴的經驗和數據,為進一步研究和開發提供了重要的理論基礎。

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關鍵字:

2,6-DAPy、solar cells

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