科學新知:2021 Nature Communications 效率21.4% 活性面積26cm2鈣鈦礦模塊創紀錄!

  Nature Communications (IF 14.919) 在2021年11月刊登一項研究。作為新興光伏技術的領跑者,鈣鈦礦太陽能電池 (perovskite solar cell, PSC)若其功率轉換效率 (power conversion efficiency, PCE)超過25%,由於其解決方案相對簡單且成本較低,使其在大量生產和商業化方面有極大的可能性。然而,鈣鈦礦薄膜(尤其在表面和晶界)在溶液處理的過程中,會產生大量缺陷的問題,故有機鹵化物鹽鈍化被認為是減少缺陷的重要策略。但使用這種策略,仍難避免平面內容易產生二維 (two-dimensional, 2D) 鈣鈦礦層,造成電荷傳輸受損。在熱條件下,更會阻礙光伏性能和器件面積的放大。為了克服這一個限制,作者們研究了二維鈣鈦礦的能壘,其二維鈣鈦礦是由(亞苯基)二(乙基)碘化物((phenylene)di(ethylammonium) iodide, PDEAI2) 的鄰位、間位和對位異構體所組成,這些異構體的設計是為缺陷鈍化而量身訂做的。

Structures of PDEAI2 2D perovskite

PDEAI2的結構和形成的二維鈣鈦礦。

  研究團隊使用太陽光模擬器針對其光伏特性進行分析,並使用其他儀器協助實驗。結果發現,用空間位阻最大的原位異構體處理,即使在高溫下,都可以防止表面二維鈣鈦礦膜的形成,並能最大限度地提高對淺層和深層缺陷的鈍化效果。利用o-PDEAI2(ortho-(phenylene)di(ethylammonium) iodide)鈍化,將PSC的效率提高到23.9%,並確保超過1000小時的長期穩定性。更重要的是,活性面積為26cm2的鈣鈦礦模塊,達到21.4%創紀錄的效率。這項研究表明,改變官能基和化學結構應該是一種開發新型有機陽離子鈍化劑的有效策略,也對未來要擴大商業性應用鋪了路。

The research team used a solar simulator to analyze its photovoltaic characteristics and used other instruments to assist in the experiments. It was found that treatment with the most sterically hindered ortho-isomer can prevent the formation of a 2D perovskite film on the surface regardless of high temperature and can maximize the passivation effect on both shallow- and deep-level defects. Use o-PDEAI2 (ortho-(phenylene) di (ethylammonium) iodide) passivation to increase the efficiency of PSC to 23.9% and ensure long term stability over 1000 h. More importantly, the perovskite module with an active area of 26cm2 reached a record efficiency of 21.4%. This study shows that altering the functional groups and chemical structure should be an effective strategy for the development of novel organic cationic passivators, and also pave the way for scaling up commercial applications in the future.

鈍化層相關的料件性能。

long-term stability perovskite solar cell

PSC的模塊性能和長期穩定性。(c)有效面積為26.00 cm2的鈣鈦礦太陽能組件的J-V特性。(g)在25°C氮氣氛中,在連續光 (100mWcm-2) 照明下,未封裝器件的1100小時的最大功率點跟踪 (MPPT)。

本文關鍵字:有機鹵化物、organic halide、鈍化劑、passivator、鈣鈦礦、perovskite、太陽光模擬器、Solar Simulator、Sun Simulator

原文:https://doi.org/10.1038/s41467-021-26754-2

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