(快訊) Nature: SKKU Nam-Gyu Park & 中科院 & 華北電力大學研究團隊提出透過離子均質化達成近26%效率與高穩定性的鈣鈦礦太陽能電池
重點摘要
本篇研究由 SKKU Nam-Gyu Park 、中國科學院 Xu Pan & Jiajiu Ye 、華北電力大學 Songyuan Dai 等人發表。
- 鈣鈦礦太陽能電池加入銫離子(FA1-xCsxPbI3)具有前景,但組成不均勻是個問題。
- 研究人員視覺化鈣鈦礦薄膜中的垂直離子組成變化。
- 此乃銫離子在晶粒邊界與晶粒間發生分離之故。
- 他們使用1-(苯磺醯)吡咯(PSP)使離子分布均質化。
- 使用離子均質化薄膜製成的太陽能電池效率提升至25.2%(最高達26.1%),穩定性也增強。
研究背景
鈣鈦礦太陽能電池因其高效率、高穩定性與可擴增性而備受關注。但研究發現A位銫離子的分離會使鈣鈦礦薄膜組成不均勻,影響電池性能。銫離子分離的問題包括:1) 分布不均,銫離子易聚集在薄膜底部;2) 組成不均勻,形成銫離子由少至多的梯度分布;3) 因大小差異造成晶格失配與扭曲;4) 穩定性降低。這些問題都會負面影響電池性能與可靠度。
近期研究視覺化鈣鈦礦薄膜在垂直方向的組成不均勻性,找出成因與對元件的影響。研究人員使用1-(苯磺醯)吡咯使離子分布均質化。這策略克服了離子分離造成的組成變化,達成更高效率與穩定性。本研究提供優化鈣鈦礦薄膜的新見解,促進鈣鈦礦太陽能電池的發展。
研究成果
研究發現鈣鈦礦薄膜中的甲銨基與銫離子發生垂直相分離,顯著影響電池性能。研究人員觀察到銫離子傾向聚集在薄膜底部,形成銫離子豐富相,導致晶格應力與失配。使用1-(苯磺醯)吡咯(PSP)抑制離子分離、改善晶格排列,PSP處理後的薄膜展現較好的面外排列及減少晶格應力。因此,離子不均勻性的起源可能與結構變化有關。解決面外離子不均勻性對提升裝置性能非常重要。
引入PSP有機分子可抑制甲銨基-銫相分離,使鈣鈦礦中的離子分布均勻。ToF-SIMS與XPS結果支持薄膜中存在面外離子不均勻性,PSP分子聚集在薄膜底部。PSP可減輕鈣鈦礦的離子不均勻性。
評估結果顯示PSP處理可增強PL強度、延長載流子壽命、改善載流子重組動力學。計算指出PSP處理可降低缺陷形成能量、增強薄膜品質。分析也顯示PSP產生較佳的頻帶結構。綜上,PSP改善了鈣鈦礦的光電性質。
使用PSP處理的鈣鈦礦太陽能電池展現優良性能。最佳裝置達成26.1%效率(認證反向效率25.8%,認證穩態效率25.2%),Fill factor與載流子萃取皆有增強。經過2500小時測試,沒封裝的PSP處理裝置保持92%初始效率,參考裝置降至約80%。相對溼度可靠度測試也顯示PSP處理裝置的卓越表現。
因此,PSP可有效抑制離子分離、改善鈣鈦礦太陽能電池性能。本研究系統性地揭露鈣鈦礦薄膜中的離子分布不均勻性問題,並成功利用PSP有機分子控制面外離子分布,顯著提升裝置性能與可靠度。此策略提供優化鈣鈦礦太陽能電池性能的新見解。
研究方法
- 製作與視覺化FA1-xCsxPbI3鈣鈦礦薄膜中的垂直不均勻性
- 加入1-(苯磺醯)吡咯(PSP)作為添加劑
- 以PL、TRPL、ToF-SIMS、XPS、UV-vis表徵薄膜
- 利用DFT計算缺陷與頻帶結構
- 製作與測試p-i-n與n-i-p太陽能電池
- 認證最佳裝置功率轉換效率
結論
FA1-xCsxPbI3鈣鈦礦太陽能電池提供高效率與穩定性,但受制於A位離子分離導致的有害不均勻性。視覺化薄膜中的垂直組成變化揭露原因與影響。加入PSP使離子均質化,實現穩定的p-i-n裝置25.2%認證穩態功率轉換效率。利用PSP面外離子均質化提供克服組成問題、實現高效穩定鈣鈦礦太陽能電池的可行策略。
