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热点 | 钙钛矿弱光电池效率创新高,达到40.1% !

前言:钙钛矿太阳能电池具有带隙可调、吸收系数高等优点,受到了广泛关注。因此降低非辐射复合损失是钙钛矿太阳能电池在弱光环境应用中的重大挑战。

太阳能电池是一种通过光电效应或者光化学反应直接把光能转化成电能的装置。1839年, 法国物理学家Becquerel发现了光生伏特效应,1876年,英国科学家Adams等人发现,当太阳光照射硒半导体时,会产生电流。这种光电效应太阳能电池的工作原理是当太阳光照在半导体 p-n 结区上,会激发形成空穴-电子对(激子),在p-n结电场的作用下,激子首先被分离成为电子与空穴并分别向阴极和阳极输运。光生空穴流向p区,光生电子流向n区,接通电路就形成电流。目前太阳电池发展大致经历了三个阶段:第一代太阳电池主要指单晶硅和多晶硅太阳电池,其在实验室的光电转换效率已经分别达到25%和20.4%;第二代太阳电池主要包括非晶硅薄膜电池和多晶硅薄膜电池。第三代太阳电池主要指具有高转换效率的一些新概念电池, 如钙钛矿太阳电池、量子点电池以及有机太阳电池等。相比于第一代和第二代太阳电池,钙钛矿太阳电池由于具有制作成本低、理论光电转换效率高等优点受到人们的广泛关注。

虽然有机-无机杂化钙钛矿太阳电池的效率已经达到了25.5%。但是,杂化钙钛矿中的有机组分(甲氨和甲眯)在热力学上是不稳定的,光照、加热和高湿条件都会诱导有机组分缓慢挥发或分解,从而导致杂化钙钛矿吸光层降解失效。相比之下,基于无机阳离子(Cs+)的全无机钙钛矿(CsPbX3)能够避免有机组分的挥发,进而有望从根本上解决钙钛矿的组分稳定性问题。在全无机钙钛矿家族中,CsPbI2Br具有合适的带隙和结构稳定性,因此近年来引起了研究者的广泛关注。2019年CsPbI2Br钙钛矿太阳电池的效率已经达到了16.58%,但其开路电压较低,能量损失高达0.69 eV,效率远远落后于杂化钙钛矿太阳电池和无机CsPbI3钙钛矿太阳电池。因此,通过减少能量损失来提高CsPbI2Br钙钛矿太阳电池的开路电压和效率很有必要。

近日,陕西师范大学材料学院刘生忠教授团队在Advanced Materials上发表了题为“40.1% Record Low-Light Solar-Cell Efficiency by Holistic Trap-Passivation using Micrometer-Thick Perovskite Film”的论文。本论文通过两步法制备了微米厚的钙钛矿薄膜。利用体相掺杂和表面钝化两种方法,使体相缺陷和表面缺陷大幅降低,使得钙钛矿薄膜的平均载流子寿命从1.41 μs提高至7.72 μs,最终使得器件的Voc和PCE都得到大幅的提升。该研究得到了国家自然科学基金委、国家重点研发计划等项目的支持。

热点 | 钙钛矿弱光电池效率新高,40.1% !

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