现代工学院谭海仁教授课题组联合研究成果:基于工业绒面晶硅的高效钙钛矿叠层太阳能电池

发布者:沈允育发布时间:2023-01-19浏览次数:40



导读

  近日,南京大学现代工程与应用科学学院谭海仁教授团队与天合光能光伏科学与技术国家重点实验室研发团队合作,通过顶底电池结构设计和工艺优化等方向的技术创新,实现了宽带隙钙钛矿薄膜在工业化大绒面晶硅衬底上的高质量保形生长。制备的钙钛矿/晶硅两端叠层太阳电池稳态光电转换效率达28.6%,(德国Fraunhofer-ISE第三方认证效率27.9%),相关研究工作以“Efficient Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells on Industrially Compatible Textured Silicon”为题,发表在材料领域国际知名期刊Advanced Materials上。

研究背景

   钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池的光电池转换效率(PCE)有望超过单结太阳能电池的Shockley-Queisser极限,从而成为颠覆市场的下一代新型光伏技术。钙钛矿层作为高效叠层电池制备的核心部分,其薄膜结晶质量对电池的性能至关重要。通过将蒸发法和溶液法相结合,即杂化两步法(图1a所示),能实现钙钛矿层在工业化绒面尺寸晶硅电池表面的保形生长,从而合理利用晶硅大金字塔尺寸结构良好的陷光特性,达到较高的器件短路电流密度,在降低器件整体制造成本的同时,充分挖掘叠层电池的效率潜力。然而,杂化两步法相比领域内广泛使用的全溶液法,制备的钙钛矿薄膜质量普遍较差。为了获得晶粒大、缺陷态密度低的钙钛矿薄膜,还需要解决杂化两步法沉积过程中反应充分、结晶过程滞后、不同组分比例匹配难以控制等问题。


研究内容

  针对以上研究难题,南京大学谭海仁课题组与合作者们开发了一种有机阴离子添加剂辅助结晶策略,即将MACl(氯化甲胺)和MASCN(硫氰酸甲胺)两类有机盐引入至杂化两步法中的溶液旋涂步骤,有效调控了蒸发制备的PbI2(碘化铅)无机框架和前驱体溶液中有机组分的反应,在工业化大绒面晶硅上实现了高结晶质量、低缺陷密度、高纯相钙钛矿薄膜的保形沉积。通过研究对比发现(图1b,c,d),无任何添加剂条件下钙钛矿各组分反应不够充分,结晶质量差;MACl作为广泛使用的一类促进各组分反应的添加剂,单独引入在杂化两步法中对于薄膜的质量提升有限;MASCN能通过诱导结晶重构的方式显著提升晶粒生长速率和尺寸,然而过大的晶粒不能沿晶硅绒面实现良好的保形生长。将上述两种添加剂混合后能够充分发挥两者的优势,实现了高质量钙钛矿薄膜的沉积。


1 钙钛矿在工业绒面硅上的保型沉积;a) 杂化两步沉积法原理图;引入阴离子添加剂,包括MAClMASCNMAClMASCN的混合物来调控钙钛矿的结晶过程;b) 绒面硅(平均金字塔尺寸>3 μm)上不同添加剂(MACl, MASCNMA(Cl0.5SCN0.5))的钙钛矿薄膜的表面(上)和截面(下)SEM图像;c) 绒面硅上钙钛矿薄膜的XRD图谱,d) 稳态PL谱图和e) 时间分辨瞬态PL谱图。


为了研究添加剂的作用机理,作者们分别对其进行了反应过程的形貌和结晶性表征。由图2a,b,c,d,e可以看出,没有添加剂的情况下,有机盐难以渗透进致密的无机框架并发生反应,样品出现了较强PbI2峰位;在引入两种添加剂后,MASCN通过诱导结晶重构的方式促进了α相钙钛矿相的成核、生长和成熟,而MACl通过形成中间相适当减缓了整个结晶过程,两类添加剂的协同作用使得各组分反应过程显著加强,沉积的薄膜中能观察到很强的α相钙钛矿XRD峰。同时,通过XPS和NMR表征可以看出,二者作为辅助结晶的添加剂,在后续热处理过程中逸出,并不会残留在钙钛矿薄膜中(图2g,h)。


2 不同添加剂的钙钛矿薄膜表征。a, b, c, d)表面(上)和截面(下)的SEM图像显示了不同工艺后钙钛矿薄膜的状况。e) 不同工艺后钙钛矿薄膜的x射线衍射(XRD)图,包括共蒸发后的无机框架(黑线)、有机盐沉积(红线)、预退火(蓝线)和空气退火(紫线)。符号α表示α相钙钛矿。f) 添加不同添加剂的钙钛矿膜GIWAXS图案。g) 钙钛矿薄膜的Cl 2pS 2s XPS谱。h) 不同添加剂制备的钙钛矿膜刮下的粉末1H NMR谱。


通过对比不同添加剂组制备的单结宽带隙钙钛矿太阳电池性能,可以看出混合添加剂组制备的器件具有明显的效率和稳定性优势(图3a,b),制备单结钙钛矿电池在不透明结构上实现了20.3%的光电转化效率,相应的半透明结构电池达到了19.2%的效率。封装电池以最大功率点在空气中持续运行500小时仍能维持初始效率99%(图3c,d,e,f)。


3 不同添加剂引入的钙钛矿太阳能电池光伏性能。a) 30个不透明器件的光伏参数(Voc,

Jsc, FF, PCE)。b) 最佳不透明器件(面积0.049 cm2)的J-V曲线。c) MA(Cl0.5SCN0.5)和表面钝化处理的最佳不透明器件的J-V曲线。d) IZO侧照射的半透明电池示意图。e)  MA(Cl0.5SCN0.5)冠军半透明电池的J-V曲线(面积为1.05 cm2)。f) 封装的半透明电池在空气(相对湿度20 - 40%)中的最大功率点(MPP)跟踪。


通过该策略优化制备的钙钛矿/晶硅异质结两端叠层太阳电池,稳态效率达到了28.6%,经德国弗劳恩霍夫太阳能系统研究所(Fraunhofer-ISE)测试认证,电池效率可达到27.9%。同时,叠层电池展现出了优异的稳定性,将封装的叠层太阳能电池置于空气中,在1个太阳光照下运行2000小时后仍保持超过80%的初始性能。进一步地,将杂化两步法的旋涂步骤替换成可大面积涂膜的刮涂技术,制备16cm2的大面积叠层太阳电池效率达到了25.1%,展现出该策略良好的商业化应用前景。


4 全绒面钙钛矿/硅叠层电池的器件表征。a) 钙钛矿/硅异质结叠层太阳能电池结构图。b) 钙钛矿/硅异质结(平均金字塔尺寸>3 μm)利用MA(Cl0.5SCN0.5)作为添加剂的截面SEM图像。c) 叠层器件的J-V曲线(面积1.05 cm2),插图为器件的数码照片。d) 电流匹配的全绒面钙钛矿/硅异质结叠层电池的EQE光谱,该电池采用厚度为650 nm的具有1.68 eV的钙钛矿吸收体。e) 叠层器件的MPP跟踪和20个单个叠层器件的PCE分布。f) 大面积叠层器件(面积16cm2)的J-V曲线,插图为器件的数码照片。g) 封装的叠层太阳能电池在空气(相对湿度20-40%)中的MPP跟踪。插图为封装器件的图片。


南京大学博士生罗昕、博士生罗皓文、博士后李红江和天合光能夏锐博士为论文的共同第一作者,南京大学现代工程与应用科学学院谭海仁教授为文章的通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金,江苏省自然科学基金,江苏省创新人才创业计划,南京大学关键地球物质循环前沿科学中心研究基金,中国博士后基金,江苏省博士后基金等的资助与支持。


相关链接:https://doi.org/10.1002/adma.202207883