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Cover| 综述:大面积钙钛矿太阳能电池研究进展

发布:HPLlaser    |    2021-01-27 09:39    阅读:5290
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主编点评:

随着社会的发展,人类对能源以及相应的配套设施,例如高效的光伏 (能将光转化为电的效应)材料或者新型储能器的需求也越来越大。从家电设备到工厂的仪器装备,对能源的需要无处不在。 来自太阳天然的馈赠——太阳能被人类作为可再生的清洁能源使用由来已久,从最初原始的利用食物对太阳能的吸收来直接烘干食物以备长期使用,到近代的利用半导体材料的光伏效应将太阳能转化为电能,并通过合适的装置将转化的电能并入电网供电。此外,具有光伏效应的材料种类丰富,比如单晶/多晶硅、砷化镓(gallium arsenide, GaAs)、碲化镉(cadmium telluride, CdTe)、以及钙钛矿等。 钙钛矿进入人们的视野可以追溯到十九世纪,缘起于德国科学家Gustav Rose在去俄国的一次旅行,他在乌拉山脉(Ural Mountains)发现了以俄国矿物学家Lev Perovski命名的一种新的矿物质,也就是我们现在所说的钙钛矿(perovskite)。经过漫长的一个世纪,钙钛矿在过去二十年间,尤其是最近十年得到迅猛发展,科学家们不断尝试新的方案以克服之前材料的缺陷,比如不稳定性,同时基于它的太阳能电池效率不断有突破性的进展, 从而它从众多的光伏材料中脱引而出,成为光伏材料里的明星材料。 但是和目前已经在商业上应用的硅晶材料相比,钙钛矿从实验室的科研走进大规模生产还需要不少技术上的提高,比如,如何制备高品质的大面积钙钛矿电池就是核心问题之一。中国科学院半导体研究所游经碧研究员领导的团队对相关研究进展进行了综述,相关综述作为封面文章发表在Photonics Research 2020年第7期上,并被选为Perovskite Photonics专题封面文章。 杨兰主编 华盛顿大学

通过组分、钙钛矿薄膜生长控制和钙钛矿/传输层界面工程的方式,钙钛矿太阳能电池的光电转换效率在10余年间已超过25%。但是,目前高性能钙钛矿太阳能电池均是基于小面积制备(一般小于0.1 cm2)。从商业应用的角度来说,制备大面积器件是钙钛矿太阳能电池商业化发展的必要途径。

近期,中国科学院半导体研究所游经碧研究员领导的团队对大面积钙钛矿太阳能电池的研究进展进行了综述(图1)。重点总结了在制备高性能大面积钙钛矿太阳电池方面的关键技术,即通过优化大面积器件的制备方法、生长高质量的钙钛矿薄膜以及选择适当的电荷传输层以获得高性能器件,其有助于大面积钙钛矿太阳能电池的商业化发展。该综述发表在Photonics Research 2020年第7期上,并被选为Perovskite Photonics专题封面文章。

图1. 文章内容总结

目前,高效小面积钙钛矿太阳能电池一般利用旋涂法制备,大面积钙钛矿太阳能电池的光电转换效率与之相比仍存在差距。此外,利用旋涂法很难得到高质量的钙钛矿薄膜(面积>1 cm2)。因此,要制备高效大面积钙钛矿太阳能电池,制备方法、钙钛矿以及载流子传输层的制备条件都需要做进一步改进。

大面积钙钛矿太阳能电池制备方法

为得到均匀且高质量的钙钛矿薄膜,大面积薄膜制备方法被应用到钙钛矿太阳能电池制备中,例如刮涂法、狭缝法、喷涂法、喷墨印刷和卷对卷法等(图2)。通过对大面积制备方法细节的优化来提高大面积钙钛矿太阳能电池的性能,例如衬底加热以及N2流辅助成膜等。

图2. 大面积钙钛矿太阳能电池制备方法。图 a-f 分别是旋涂法、刮涂法、狭缝法、喷涂法、喷墨印刷和卷对卷法

高质量钙钛矿薄膜生长

制备高效小面积钙钛矿太阳能电池的方法也可以应用到大面积器件制备中。钙钛矿吸光层决定整个器件的性能,通过对钙钛矿前驱体溶液的调控可以制备高质量钙钛矿薄膜,进而提升大面积钙钛矿太阳能电池的性能。例如通过对溶解钙钛矿溶剂的优化、组成钙钛矿组分的调控以及添加剂的辅助成膜等方式来制备均匀且高质量钙钛矿吸光层(图3)。

图3. 调控钙钛矿前驱体制备高质量钙钛矿薄膜。(a, b)溶剂;c 组分;d 添加剂

载流子传输层制备

载流子传输层在钙钛矿太阳能电池中的作用是对载流子进行抽取和输运。在大面积钙钛矿太阳能电池中,需要选择合适的载流子传输层。 目前已有众多关于载流子传输层优化的研究报道(图4)。以Spiro-OMeTAD为例,它是高效钙钛矿太阳能电池的首选,但是由于其较快的结晶性导致其在大面积器件制备应用中器件性能衰减。Cheng等通过对Spiro-OMeTAD的改性,利用 Bifluo-OMeTAD作为器件的空穴传输层,抑制了空穴传输层在Slot-die工艺印刷过程中的快速结晶,进而提升了利用器件的性能。该工作为选择合适的载流子传输层提供了新的思路。

图4. (a、b)器件结构和器件J-V曲线;(c、d) Bifluo-OMeTAD和Spiro-OMeTAD结构以及器件的J-V曲线;(e、f) 使用P3HT作为HTL的器件结构和I-V曲线;(g、h) GO和Cl-GO的DFT模拟以及不同薄膜的PL光谱和TRPL光谱

总结和展望

大面积钙钛矿太阳能电池效率远落后于小面积钙钛矿太阳能电池,通过对制备方法优化、组分调控以及载流子传输层优化选择的方式可以得到高性能大面积钙钛矿太阳能电池。

和传统太阳能电池相比,钙钛矿太阳能电池稳定性较差,对于大面积太阳能电池其稳定性也需进一步提升。

来源:中国激光

 

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