微电子学院麦耀华教授团队在高效稳定钙钛矿太阳电池方面取得重要进展

发布单位:机构人员汇总 [2021-06-30 00:00:00] 打印此信息

近日,微电子学院新能源技术研究院麦耀华教授团队在能源领域国际知名学术期刊Nano Energy(IF=16.602)上发表题为“Cation-size mismatch and interface stabilization for efficient NiOx-based inverted perovskite solar cells with 21.9% efficiency”的研究论文。暨南大学为通讯单位,王有生副研究员为第一作者,王有生副研究员和麦耀华教授为文章共同通讯作者。

最近的10年间,钙钛矿太阳电池的光电转化效率达到了25.5%,可媲美硅等广泛商业化的光伏器件,是目前最有希望产业化的光伏技术之一。然而,钙钛矿太阳能电池的稳定性问题仍然制约其快速的商业化进程。

团队以论文综述的形式系统性总结了同时提升器件光电转化效率和稳定性的方法—钙钛矿复合薄膜工程和界面工程策略(Nano Energy, 2021, 87, 106141)。值得注意的是,利用无机氧化镍(NiOx)作为空穴传输层的反式钙钛矿太阳电池因原材料便宜,器件较稳定而受到广泛的关注。然而,NiOx基反式钙钛矿太阳电池中的界面缺陷严重影响光生载流子的非辐射复合,极大地降低了电荷的传输效率。器件界面处缺陷也会富集很深的能级陷阱态导致准费米能级损失,降低了器件的开路电压和填充因子,并进一步制备大面积光伏器件效率的提升。

鉴于此,麦耀华教授团队报道了钙钛矿复合薄膜及界面调控提升器件效率和稳定性研究(图1)。研究人员发现通过少部分钾离子的掺杂能构建大晶粒垂直生长的四元阳离子钙钛矿复合薄膜层,有效减少薄膜界面缺陷。另外,有机物PTAA不仅能显著优化NiOx表面,而且也可以作为空穴传输桥梁很好的调节能带,进一步提升器件空穴传输效率。氧化铝层改善钙钛矿与PTAA间界面接触,不仅有利于钙钛矿晶粒的增长,而且有效提升电荷分离和传输。形成的二维钙钛矿薄膜层能有效钝化三维钙钛矿薄膜表面,并可以阻隔水氧,保护三维钙钛矿层。

最后,为了进一步提升电子传输效率和器件稳定性,在沉积银电极之前,研究人员利用原子层沉积法(ALD)沉积一层致密的氧化锡。结果,通过钙钛矿复合薄膜及界面调控,小面积器件实现了21.9%的转化效率,组件(有效面积=11.2 cm2)效率接近17%,7节子电池电压高达8.05 V。器件连续光照1000小时,稳定性仍然保持初始效率的85%以上。该研究工作为NiOx基反式钙钛矿太阳电池的界面接触和性能的提升等方面提供了重要的方向。

该工作得到了广东省基础与应用基础研究基金区域联合基金和中央高校基本科研业务费的支持。也得到了韩国全北国立大学和青岛大学的支持。

(图1. NiOx基反式钙钛矿器件结构,缺陷抑制与稳定性提升机理,小面积电池及组件效率)

论文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285521005401

(微电子学院)

责编:苏倩怡