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科學新知:2021 Adv. Funct. Mater., PCE 24.8%! 富勒烯夾層應用於窄帶系 4T 全鈣鈦礦太陽能電池

  Advanced Functional Materials (IF 18.808) 期刊於 2021 年 12 月刊登德國卡爾斯魯爾理工學院 Bahram Abdollahi Nejand、Ulrich W. Paetzold 等人的研究成果。界面工程是高性能鈣鈦礦太陽能電池 (PSC) 的關鍵。雖然科學家已廣泛地研究帶隙 >1.5 eV 的 Pb 鈣鈦礦富勒烯夾層,但卻很少研究富勒烯夾層在 Sn-Pb 混合窄帶隙 (NBG) PSC 中的作用。

  在此研究中,研究團隊使用以前未探索過的富勒烯衍生物作為 NBG PSC 中的夾層,並研究它們對於器件性能和非輻射複合的影響。研究人員將三個富勒烯衍生物夾層加入鈣鈦礦/ETL界面,包含indene-C60-propionic acid butyl ester (IPB)、indene-C60-propionic acid hexyl ester (IPH) 和傳統的 PCBM。研究發現,IPH 提供更高的導帶偏移 (CBO),從而抑制電荷載流子迴轉移的非輻射複合,是 NBG PSC 中最有效的中間層。

Solar Simulator J-V AM 1.5 G Perovskite reverse scanning
c)在AM 1.5 G (1000 W m-2) 照射下,通過反向掃描測量冠軍器件的電流-密度-電壓(J-V)特性,包含有IPH中間層和無IPH中間層的器件。 d) 連續照明下的穩定功率轉換效率 (SPCE) 。e) 相應性能最佳器件的外部量子效率 (EQE) 光譜。

  研究團隊使用太陽光模擬器與量子效率量測儀器進行分析,研究結果顯示,具有 IPH 夾層的器件表現出最高的性能,其短路電流密度為 30.7 mA cm-2,開路電壓損失降低至 0.43 V。開路電壓損失降低歸因於非輻射複合減少,並區分為兩個方面:

(1) 更高導帶偏移 ≈0.2 eV (>0 eV) 阻礙了電荷載流子回傳轉移複合。

(2) 鈣鈦礦/夾層/C60 界面的陷阱密度降低,導致陷阱輔助複合減少。

  此外,IPH 夾層可增強器件內的電荷提取,從而顯著提高短路電流密度。使用帶有 IPH 中間層的 NBG 器件,在四端 (four-terminal, 4T) 全鈣鈦礦串聯太陽能電池中實現了 24.8% 的功率轉換效率 (PCE)。

Solar Simulator Dark current-density-voltage J-V Voc
c) 暗電流-密度-電壓 (J-V) 特性。d) VOC 的光強度依賴性。 f) 純電子器件的暗電流-密度-電壓 (J-V) 特性。
Solar Simulator Perovskite tandem solar cells J-V EQE
a) 4T 全鈣鈦礦串聯太陽能電池的結構示意圖。 b) AM 1.5 G (1000 W m-2) 輻照下,反向掃描測量太陽能電池的 J-V 特性。d) 相應太陽能電池的 EQE 圖。

關鍵字:Perovskite、PSC、全鈣鈦礦太陽能電池、Fullerene-Derivative Interlayers、富勒烯衍生物、Solar Simulator、太陽光模擬器、Quantum Efficiency、量子效率、Sun Simulator

原文: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202107650

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