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2022 Science (IF 47.728), 效率突破 25%! 創紀錄的高效穩定倒置鈣鈦礦是因為這個?

光焱科技的 REPS 系統讓太陽能電池的 Voc 損耗分析變得觸手可及!

  與傳統 n-i-p 結構的鈣鈦礦太陽能電池,倒置 (p-i-n) 結構的鈣鈦礦太陽能電池雖然具有更高的穩定性和壽命,但通常功率轉換效率 (PCE) 會較低。鈣鈦礦活性層與電荷傳輸層介面間的缺陷和非理想電荷傳輸,是影響倒置鈣鈦礦太陽能電池效率和穩定性的關鍵因素之一。因此,選擇有效的介面層材料並進一步提升倒置鈣鈦礦太陽能電池 (PSC) 的性能和穩定性對其商業化發展至關重要。

  Science (IF 47.728) 期刊於 2022 年 4 月發表一項研究成果。研究團隊使用二茂鐵有機金屬衍生物 (ferrocenyl-bis-thiophene-2-carboxylate, FcTc2) 為設計穩定高效的鈣鈦礦太陽能電池介面材料提供了新思路。二茂鐵有機金屬衍生物同時具備了有機材料和無機材料的優異特性,作為功能化界面層可以有效降低倒置鈣鈦礦太陽能電池介面中的非輻射複合,並同時加快電荷傳送。

  研究人員使用光焱科技 ELCT-3010 (現 REPS 鈣鈦礦光伏 Voc 損耗分析系統) 等儀器進行實驗,結果顯示透過 FcTc2 界面修飾後的元件,其開路電壓 (VOC) 以及填充因子 (FF) 得到了較大的提升,實驗室測試效率達到了倒置鈣鈦礦太陽能電池的記錄效率 25% (認證效率為 24.3%)。此外,在長期光照運行 1500 小時後仍維持在初始效率的98%,在濕熱環境下(85℃/85% RH) 的穩定性測試通過了 IEC 61215:2016 的國際標準。

  光焱科技 REPS 鈣鈦礦光伏 VOC 損耗分析系統可量測電致發光量子效率 (Electroluminescence (EL) quantum efficiency, EQEEL)。不僅可以檢測極低的 EL-EQE 信號(低至 10-5%,即 7 個數量級),還可以透過分析軟體 SQ-VLA 將計算出的 Voc-loss 與設備 IV 曲線的真實 Voc-loss 進行匹配,從而促進研究進展和期刊發表。

Inverted perovskite solar cell electroluminescence efficiency EL-EQE

元件性能表徵。

  1. 透過 FcTc2 界面修飾的倒置鈣鈦礦元件,最高 PCE 達到了記錄值 25% (認證效率24.3%)。其中 VOC: 1.184V (1.179V),JSC: 25.68 mA cm-2 (25.59 mA cm-2),FF: 82.32% (80.56%)。
  2. 透過 FcTc2 界面修飾的鈣鈦礦元件,電致發光效率達到了 7%,由此計算得出因非輻射複合導致的能量損失低至 68.75 mV,遠小於對照元件的 108.57 mV。進一步證明了 FcTc2  能有效抑制鈣鈦礦太陽能電池的非輻射複合,降低能量損失。
Device efficiency characterization dual-functional

鈣鈦礦元件穩定性測試。

  1. 封裝後的 FcTc2 鈣鈦礦元件在連續光照條件 1500 小時後仍能保持原始效率的 98%。
  2. 依據 IEC 61215:2016 國際標準進行更嚴苛的穩定性測試,在 85℃/85% RH 條件下, FcTc2 鈣鈦礦器件在 1000 小時後仍能保持原始效率的 95%。

關鍵字:倒置鈣鈦礦、p-i-n Perovskite、inverted perovskite solar cells、Voc 損耗分析、Voc-loss analysis、 EQEEL、量子效率、Quantum Efficiency

原文: https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm8566

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