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九州现金:科研进展|物质学院宁志军组窄带隙钙钛矿太阳能电池研究取得新进展

时间:2022-04-01浏览:10设置

相比传统太阳能电池,钙钛矿太阳能电池具备高效率和低成本的特点,被认为是最具前景的下一代太阳能电池。近年来,基于锡铅混合结构的窄带隙钙钛矿太阳能电池获得了广泛关注,通过窄带隙和宽带隙钙钛矿太阳能电池组合来制备叠层太阳能电池,有望大幅提高器件的能量转换效率,超过单晶硅电池。      

由于Sn2+(二价锡)的不稳定性,使钙钛矿薄膜表面产生诸多缺陷,这是影响Sn-Pb(锡铅混合)钙钛矿器件性能的重要因素。在前期的工作中,宁志军课题组发展了锡钙钛矿低维结构,提升了Sn2+的稳定性,提高了无铅纯锡钙钛矿太阳能电池的效率。在最新的工作中,宁志军课题组将低维结构应用于窄带隙锡铅混合的结构体系,成果发表在国际期刊《德国应用化学》(Angewandte Chemie International Edition)上,并获得了审稿人的高度评价。
利用卤素铵盐后处理形成表面低维(quasi-2D/3D)结构是钝化表面缺陷常用的策略,然而,这种方法制备的低维(quasi-2D)结构的层数难以控制,尤其是单层结构的带隙较大,这使界面的载流子传输需要跨越较高的势垒。因此,全面的表面钝化和有效的界面载流子转移相结合是制备高效Sn-Pb钙钛矿太阳能电池的关键。

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图. TEAI盐和TEASCN盐分别对锡铅混合钙钛矿薄膜处理过程的结构演化及对应的能级结构示意图


为了解决上述问题,九州现金物质学院宁志军教授团队合成了一种新的盐——2-噻吩乙胺硫氰酸盐(TEASCN),用于在Sn-Pb混合钙钛矿表面精确构建双层准二维结构。与普通的2-噻吩乙胺碘盐(TEAI)形成的单层结构不同,基于TEASCN的双层结构形成能更低,因此在钙钛矿表面先形成单层结构,并在退火过程中转变为更稳定均一的双层结构,这为调控准二维钙钛矿结构的层数提供了策略。


与单层结构相比,双层结构在钝化钙钛矿的同时,有效降低了电荷转移势垒,实现载流子高效输运。因此,在不牺牲短路电流密度(JSC)的情况下,器件的开路电压(VOC)和填充因子(FF)都得到了大幅提高,实现了认证效率21.1%。


该工作首次合成了TEASCN盐,并利用该分子实现了准二维结构层数的精准控制,制备了层数均匀的双层结构薄膜,在有效钝化的同时实现了高效载流子传输,为钙钛矿太阳能电池器件性能提高提供了新的策略。此外理论计算揭示了双层结构的形成机制,对准二维钙钛矿结构的精准调控有借鉴意义。


该工作由上科大物质学院宁志军教授为通讯作者,香港大学周慈勇教授和物质学院刘伟民教授课题组在光谱表征方面提供了支持,物质学院博士生虞丹妮魏琪为共同第一作者,该工作得到了国家自然科学基金、科技部重点研发计划、上海市科委和上科大电镜中心等的支持。

  

论文标题:Quasi-2D Bilayer Surface Passivation for High Efficiency Narrow Bandgap Perovskite Solar Cells

  

论文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202202346


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