上海交通大学Nature Photonics:耗尽区调控以实现高效稳定的钙钛矿太阳电池

2024-02-20 2365

近日,上海交通大学材料科学与工程学院金属基复合材料国家重点实验室韩奇峰,韩礼元团队联合加州大学洛杉矶分校杨阳教授,在提升高效率太阳电池的稳定性方面取得重要突破,相关成果以“Efficient and stable perovskite solar cells with regulated depletion region”为题发表在Nature Photonics上。研究团队首次提出通过将耗尽区从钙钛矿表面移至钙钛矿内部的全新策略,从源头上对不可逆的离子移动进行遏制,使钙钛矿吸收层和传输层在运行过程中不受破坏。该策略使得光电转换效率约25%的太阳电池在模拟工况下运行10000小时后,效率损失仅为2%,为提升钙钛矿太阳电池稳定性以实现最终的商业化开辟了新的道路。2018级博士生沈志超为论文的第一作者,韩奇峰副教授、杨阳教授和韩礼元教授为共同通讯作者,上海交通大学为论文第一完成单位。

单节钙钛矿太阳电池的效率已经超过26%,长期运行稳定性成为其商业化道路上的主要阻力。其中,电池运行过程中内部的离子移动是亟待解决的一大难题。当离子从钙钛矿内部移动到功能层后,不仅会破坏钙钛矿晶体结构,影响其吸光效率,还会改变传输层和电极的电学性质,影响其对载流子的收集效率。目前,界面工程是抑制离子移动的一个主流方法,主要通过钝化缺陷位点或是插入界面阻挡层来实现。然而,这些方法很难从根源上解决问题,由于表面处高缺陷密度带来的离子移动通道和高浓度梯度的存在,离子在电池运行过程中不可避免地会进入传输层乃至电极中去,对电池造成不可修复的损伤。

在此背景下,研究团队通过掺杂剂调控钙钛矿薄膜中的缺陷类型从而改变其导电类型,并根据Darcy方程通过控制溶剂的密度黏度比来实现可控的掺杂深度,使一个钙钛矿薄膜的上层和下层得以实现不同的导电类型,成功在钙钛矿层内部创造了一个电场。钙钛矿薄膜内部的电场成功阻止了离子向界面、传输层和电极的移动,从源头上抑制了不可逆的离子移动,大大提升了钙钛矿太阳电池的运行稳定性。电池在一个太阳光和65摄氏度温度下持续运行1920小时后仍维持初始效率的88%,并能在暗态环境恢复到初始效率的94%;在模拟工况下运行10000小时后,效率损失仅为2%。这为提升太阳电池稳定性提供了新的思路,将能进一步促进钙钛矿电池的实用化。

这项工作得到了科技部重点研发计划(2020YFB1506400,2021YFB3800100)和国家自然科学基金(U20A20245, U21A20171, 11834011, 12074245)的支持。

图1. 左图为耗尽区调控前电池内部的电势及电场分布,右图为耗尽区调控后电池内部的电势及电场分布

图2. 左图为耗尽区调控前电池内部的电场分布及离子移动情况,右图为耗尽区调控后电池内部的电场分布及离子移动情况

文章链接:Efficient and stable perovskite solar cells with regulated depletion region | Nature Photonics

文稿:韩奇峰

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