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最新《Science》:26.7%!钙钛矿太阳能电池又有新突破

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钙钛矿的带隙可以通过用溴或氯替换碘阴离子来调节,然而过多的溴会使钙钛矿性能不稳定。本文引入硫氰酸盐与碘的混合,从而开发了2D/3D混合宽带隙钙钛矿的结构和提高光电性能。基于此,钙钛矿/硅串联太阳能电池的PCE高达26.7%。

最大限度地提高钙钛矿-硅串联太阳能电池的功率转换效率(PCE),需要一个具有宽带隙高性能、稳定的钙钛矿电池。近日, 韩国科学技术高等研究院的ByunghaShin教授,首尔大学Jin Young Kim教授, 美国国家可再生能源实验室(NREL)朱凯和Dong Hoe Kim(通讯作者)合作开发了一种稳定的钙钛矿型太阳能电池,其带隙约为1.7eV,其峰值PCE达到了20.7%,并在连续使用1000小时后仍保持了80%的功率转换效率。同时,基于苯乙铵(PEA)的二维(2D)添加剂的阴离子工程对于控制基于PbI2框架的二维钝化层的结构和电学性能至关重要,从而将单片宽间隙钙钛矿与硅串联获得的太阳能电池展现出26.7%的效率。相关论文以题为“Efficient, stablesilicon tandem cells enabled by anion engineered wide-bandgap perovskites”于4月10日发表在Science上。

论文链接

https://science.sciencemag.org/content/368/6487/155

钙钛矿光伏(PV)技术令人印象深刻,目前单结器件的效率已经达到了25%。其中,最具发展前途的太阳能装置由顶部钙钛矿电池和底部硅电池组成,以达到超越Shockley-Queisser极限的超高效率。大多数关于钙钛矿/硅串联太阳能电池的研究都具有1.5~1.6eV的钙钛矿带隙,同时硅的带隙固定为1.1eV。然而钙钛矿的带隙可以进行改进,以实现最理想的1.7eV带隙。

虽然之前已有报道接近于1.7eV带隙,但所展现出的转化效率(PCE)仍小于25%。通常情况下,钙钛矿的带隙可以通过(部分)用溴或氯替换碘阴离子来调节,然而过多的溴会使钙钛矿性能不稳定。人们一直都在探索2D相的用途,将长链分子分隔的片状卤化铅八面体添加到钙钛矿中,用作钝化剂以减少化学反应性,从而有助于改善钙钛矿的稳定性和性能。

最近的研究大多集中在2D添加剂的阴离子的设计上,本文作者引入硫氰酸盐(SCN)并与碘的混合,从而开发了2D/3D混合宽带隙(1.68eV)钙钛矿的结构和提高光电性能。SCN的使用使得设备电流密度提高,且碘能够提高电压。同时通过分析原子分辨透射电镜(TEM),证明了2D添加剂的阴离子工程可以控制二维钝化层的电子、电荷输运特性和物理位置。基于此,钙钛矿电池效率为20.7%,并在连续使用1000小时后仍保持初始效率的80%。更加重要的是,钙钛矿/硅串联太阳能电池的PCE高达26.7%。

最新《Science》:26.7%!钙钛矿太阳能电池又有新突破

图1.不同2D添加剂的钙钛矿太阳能电池照明下的器件性能和稳定性。(A) 具有代表性的不同添加剂钙钛矿太阳能电池的J-V曲线;(B)在2D添加剂中不同比例SCN的PV参数的统计;(C)最佳宽带隙钙钛矿太阳能电池的J-V曲线;(D)钙钛矿器件在光照下的长循环稳定性。

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图2. 钙钛矿薄膜的结构性质。(A-D)不同2D添加剂形成的钙钛矿薄膜的平面SEM图像和XRD;(E-G)PEA(I0.25SCN0.75)的TEM图像;(H-K)2D相D的原子尺度STEM图像和原子结构示意图。

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图3.不同比例的2D添加剂与3D钙钛矿前驱体薄膜的XRD。

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图4.钙钛矿薄膜的电学性质及2D钝化层平面缺陷的观察。(A)钙钛矿薄膜的光电导瞬态;(B)光电导与激发强度的关系;(C)ITO/钙钛矿/Au的J-V曲线;(D-F)导体原子力显微镜图像;(G) HAADF图像显示在PEA(I0.25SCN0.75)膜中2D相内有缺陷区域的形成。

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图5.2T钙钛矿/硅串联器件的结构和光伏性能。(A)2T钙钛矿/硅串联结构的横截面的SEM图像;(B)稳定功率输出的钙钛矿/硅串联器件的J-V曲线;(C)串联器件的外量子效率(EQE)和1-R光谱。

总之,本文中开发的具有带隙约为1.7eV的钙钛矿材料,同时与硅太阳能电池结合,从而得到了性能优异的钙钛矿/硅串联电池。可以预见的是,进一步优化其效率有望达到30%。(文:Caspar)

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