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中科院宋延林團(tuán)隊(duì):雙面ST-PSCs相位均勻性達(dá)到了13.97%ηeq

更新時(shí)間:2024-09-04      點(diǎn)擊次數(shù):442

前言

如何在不犧牲半透明特性的前提下,提高太陽(yáng)能電池的效率和穩(wěn)定性,一直是一項(xiàng)重要的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的解決方案主要集中在通過(guò)添加功能性障礙層來(lái)改善鈣鈦礦晶界的穩(wěn)定性,但這往往不足以解決所有問(wèn)題。因此,探索新的策略來(lái)提升半透明太陽(yáng)能電池的性能,推動(dòng)鈣鈦礦光伏技術(shù)在降低建筑能耗方面的應(yīng)用至關(guān)重要。

中國(guó)科學(xué)院宋延林研究員和鄭州大學(xué)馬俊杰教授、張懿強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)在Advanced Energy Materials26th Aug. 2024_ DOI: 10.1002/aenm.202402595)期刊發(fā)表了一種通過(guò)應(yīng)變工程穩(wěn)定雙面半透明鈣鈦礦太陽(yáng)能電池(ST-PSCs)相位均勻性的方法。該方法利用壓縮應(yīng)變重建鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu),消除相分離并抑制光誘導(dǎo)的離子遷移,同時(shí)采用透明的光捕獲結(jié)構(gòu)提高光捕獲效率。結(jié)果表明,雙面ST-PSCs實(shí)現(xiàn)了13.97%的等效效率和41.58%的平均可見(jiàn)光透過(guò)率,光利用效率高達(dá)5.8%。該研究為開(kāi)發(fā)高性能半透明鈣鈦礦太陽(yáng)能電池提供了新的策略。

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導(dǎo)讀目錄

1.       前言

2.       研究目的

3.       研究方法

4.       器件與表征

5.       結(jié)論


研究目的

  1. 通過(guò)應(yīng)變工程改善雙面半透明鈣鈦礦太陽(yáng)能電池(ST-PSCs)的相位均勻性,以提高其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和光電性能。

  2. 開(kāi)發(fā)一種新型的ST-PSCs,具有雙面光捕獲配置,能夠從設(shè)備的兩側(cè)利用光線,從而提高光利用效率(LUE)。

  3. 利用在位重構(gòu)策略(ISR)和酸陰離子主導(dǎo)的劑來(lái)引發(fā)壓縮應(yīng)變,從而強(qiáng)化鈣鈦礦晶格,抑制離子遷移,并改善相位穩(wěn)定性。

  4. 通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和理論計(jì)算,揭示壓縮應(yīng)變?cè)谝种葡喾蛛x和提高光穩(wěn)定性方面的作用機(jī)制。

  5. 實(shí)現(xiàn)高性能的ST-PSCs,具有優(yōu)異的等效效率(neg)、平均可見(jiàn)光透射率(AVT)和LUE,以滿足建筑物整合光伏(BIPV)和其他應(yīng)用的需求。

  6. 研究未封裝設(shè)備的長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性,并展示其在持續(xù)光照條件下的性能保持能力。

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研究方法

重構(gòu)策略(In Situ Reconstruction, ISR)是通過(guò)在鈣鈦礦薄膜表面錨定酸陰離子主導(dǎo)的劑來(lái)應(yīng)用于雙面半透明鈣鈦礦太陽(yáng)能電池(ST-PSCs)的。這些酸陰離子主導(dǎo)的劑(如NO3^-, PO4^3-, CO3^2-)與鈣鈦礦框架之間的結(jié)合力產(chǎn)生了壓縮應(yīng)變,這對(duì)維持結(jié)構(gòu)的剛性以抵抗光照刺激至關(guān)重要。


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壓縮應(yīng)變通過(guò)硅酸鹽的立體阻礙效應(yīng),導(dǎo)致局部晶格排列得更緊密,從而增加了離子遷移的能量障礙。這種方法不僅促進(jìn)了薄膜的均勻性,還通過(guò)在位重構(gòu)策略,利用酸陰離子主導(dǎo)的劑來(lái)改善相位穩(wěn)定性,并抑制了光誘導(dǎo)的離子遷移。此外,研究還設(shè)計(jì)了一種新的ST-PSCs,具有雙面光捕獲配置,以提高功率生成。這種創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高光利用效率(LUE)、等效效率(neg)和平均可見(jiàn)光透射率(AVT)。


器件與表征

1.       材料表征:使用光譜儀進(jìn)行傅里葉變換紅外光譜(FTIR)分析,使用X射線光電子能譜儀進(jìn)行X射線光電子能譜(XPS)分析,使用掃描電子顯微鏡進(jìn)行表面形態(tài)和能量色散X射線光譜(EDS)分析,以及使用紫外-可見(jiàn)-近紅外分光亮度計(jì)進(jìn)行紫外-可見(jiàn)-近紅外吸收光譜分析。

2.       電性能測(cè)量:AM 1.5G, 1 sun模擬的照射條件下,使用EnlitechSS-X180R系統(tǒng)測(cè)量雙面半透明鈣鈦礦太陽(yáng)能電池(ST-PSCs)的電流密度-電壓(J-V)特性。

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S18:(a)雙面半透明鈣鈦礦太陽(yáng)能電池(ST-PSCs)的設(shè)備結(jié)構(gòu);(b)經(jīng)過(guò)微結(jié)構(gòu)(MSs)處理和未經(jīng)處理的設(shè)備的電流密度-電壓(J-V)特性曲線。

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5d:展示了雙面光捕獲半透明鈣鈦礦太陽(yáng)能電池(ST-PSCs)的J-V曲線,這些曲線是在玻璃基板和透明電極下的入射光條件下測(cè)量的。


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EnlitechSS-X180R系統(tǒng)在測(cè)量雙面半透明鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的J-V特性時(shí),具體優(yōu)勢(shì)包括:

l  精確的太陽(yáng)光模擬SS-X180R系統(tǒng)能夠提供AM 1.5G, 1 sun的模擬太陽(yáng)光照,即100 mW/cm2的照度,這是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試條件,用于評(píng)估太陽(yáng)能電池的性能。

l  雙面測(cè)量能力:該系統(tǒng)適合測(cè)量雙面半透明太陽(yáng)能電池,能夠分別測(cè)量前側(cè)和后側(cè)的J-V特性。

l  高靈敏度:系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于捕捉電池在不同光照條件下的精細(xì)電性能變化,提供高精度的測(cè)量結(jié)果。

l  用戶友好的操作界面:配有直觀的軟件界面,使得測(cè)量過(guò)程簡(jiǎn)單易行,并且能夠快速分析和呈現(xiàn)數(shù)據(jù)。

l  全面的數(shù)據(jù)分析:除了基本的J-V曲線外,該系統(tǒng)還可測(cè)量Voc, Isc, FF, Imax, Vmax, Pmax, η, Rs, Rsh參數(shù),幫助研究人員進(jìn)一步理解太陽(yáng)能電池的性能。

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Enlitech太陽(yáng)光模擬器SS-X實(shí)際裝機(jī)示意圖

3.       X射線衍射分析:使用多功能X射線衍射儀進(jìn)行X射線衍射(XRD)分析,使用Cu Kα輻射(λ=1.54184 ?)。

4.       晶體結(jié)構(gòu)分析:使用分光計(jì)進(jìn)行掠入射廣角X射線衍射(GIWAXS)分析,以及使用X射線衍射儀進(jìn)行掠入射X射線衍射(GIXRD)分析,以測(cè)量表面晶格應(yīng)力。

5.       空間電荷限制電流(SCLC)測(cè)量:用于研究電荷載流子遷移率和陷阱密度,并使用公式計(jì)算缺陷密度。

6.       光利用效率(LUE)評(píng)估:作為評(píng)估ST-PSCs性能的綜合指標(biāo),結(jié)合了PCE(光電轉(zhuǎn)換效率)和AVT(平均可見(jiàn)光透過(guò)率)。


結(jié)論

為了穩(wěn)定雙面半透明鈣鈦礦太陽(yáng)能電池(ST-PSCs)的相位均勻性,研究團(tuán)隊(duì)提出了一種通過(guò)原位晶格重構(gòu)初始化壓縮應(yīng)力的方法。使用酸陰離子主導(dǎo)的劑來(lái)錨定和重構(gòu)鈣鈦礦晶格,從而形成了具有方向性的晶體結(jié)構(gòu)和均勻分布的載流子空間分布。這種方法增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)抵抗光照刺激的剛性,抑制了離子遷移,并提高了相位穩(wěn)定性。

此外,研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種用于ST-PSCs的雙面光捕獲配置,顯著提高了光利用效率(LUE)。該配置實(shí)現(xiàn)了5.8%LUE、13.97%的等效效率(neg)和41.58%的平均可見(jiàn)光透過(guò)率(AVT),在透明度和效率之間取得了良好的平衡,使其在實(shí)際應(yīng)用中具有潛力。

研究發(fā)現(xiàn),化學(xué)基團(tuán)與溴離子和碘離子之間的結(jié)合能對(duì)產(chǎn)生壓縮應(yīng)變至關(guān)重要,其中CO薄膜表現(xiàn)出比NOPO薄膜更高的結(jié)合能。這種局部應(yīng)變有助于通過(guò)錨定陽(yáng)離子將不穩(wěn)定的溴離子和碘離子固定在原地。

此外,未封裝的器件在經(jīng)過(guò)該方法處理后表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性,在最大功率點(diǎn)(MPP)條件下連續(xù)光照500小時(shí)后仍保留了90.16%的初始效率,這表明通過(guò)應(yīng)變補(bǔ)償來(lái)減輕相位分離是可行的。


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文獻(xiàn)參考自Advanced Energy Materials 26th Aug. 2024_ DOI: 10.1002/aenm.202402595

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