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无机钙钛矿太阳能电池:光电转换效率可达14.4%

导读: 在该研究中,作者设计分级带隙的无机钙钛矿薄膜,调整了薄膜不同位置的带隙,增大了薄膜厚度,钝化表面,减小了电荷复合,最终得到的器件VOC高达1.20V,JSC 为15.25 mA/cm2,FF78.7%,光电转换效率为14.4%。这是目前已知的无机钙钛矿太阳能电池的最高效率。

【引言】

有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池因结构简单,能量转换率高,低成本以及温和条件制备等优点,备受学术界的关注。但其存在一个致命的弱点:光化学稳定性和热稳定性差。相比之下,无机钙钛矿材料因其优异的稳定性成为研究者们新的关注热点。但是由于其禁带宽度大,大大限制了其光电转换效率。在该研究中,作者设计分级带隙的无机钙钛矿薄膜,调整了薄膜不同位置的带隙,增大了薄膜厚度,钝化表面,减小了电荷复合,最终得到的器件VOC高达1.20V,JSC 为15.25 mA/cm2,FF78.7%,光电转换效率为14.4%。这是目前已知的无机钙钛矿太阳能电池的最高效率。

【成果简介】

近日,陕西师范大学靳志文博士和刘生忠教授 (共同通讯作者),硕士生边慧和白东良(共同一作)在Joule上发表了一篇名为 “Graded Bandgap CsPbI2+xBr1-x Perovskite Solar Cells with a Stabilized Efficiency of 14.4%” 的文章。在这次研究中,作者设计分级带隙的无机钙钛矿薄膜。研究表明,分级带隙设计可以有效的调整薄膜不同位置的带隙,增大了薄膜厚度,增加了吸光效率,钝化了表面,减小了电荷复合,最终器件光电转换效率和稳定性都有一定的提高。

【图文简介】

图一:器件结构图和分级带隙设计的研究

具有稳定效率14.4%分级带隙设计的无机CsPbI2Br-CsPbI3钙钛矿太阳能电池

(a) 器件的结构示意图;

(b) 器件的能级示意图;

图二:Mn离子掺杂CsPbI3 QDs的表征

具有稳定效率14.4%分级带隙设计的无机CsPbI2Br-CsPbI3钙钛矿太阳能电池

(a) 掺杂Mn的CsPbI3 QDs的TEM图;

(b) 掺杂Mn的CsPbI3 QDs的HRTEM图;

(c)&(d) 掺杂Mn的CsPbI3 QDs的XRD图;

(e) 掺杂Mn的CsPbI3 QDs的XPS图谱;

(f) SCN-离子处理CsPbI3 QDs的原理图;

(g) 不同条件处理CsPbI3 QDs的红外图谱;

图三:CsPbI3 QDs和 CsPbI2Br 电池的性能

具有稳定效率14.4%分级带隙设计的无机CsPbI2Br-CsPbI3钙钛矿太阳能电池

CsPbI3 QDs钙钛矿太阳能电池:

(a) SEM图和SEM截面图;

(b) 改性前与改性后器件的J-V曲线;

(c) 器件的EQE曲线;

CsPbI2Br钙钛矿太阳能电池:

(d) SEM图和SEM截面图;

(e) 器件的J-V曲线;

(f) 器件的EQE曲线;

图四:CsPbBrI2/CsPbI3 QDs分级能级器件的性能

具有稳定效率14.4%分级带隙设计的无机CsPbI2Br-CsPbI3钙钛矿太阳能电池

(a) 不同器件的吸收图;

(b) 用乙酸乙酯处理不同时间CsPbI3 QDs的吸收图;

(c) 不同薄膜厚度CsPbI3 QDs的吸收图;

(d) 表面垂直成分剖面的XPS图;

(e) 用乙酸乙酯处理的表面垂直成分剖面的XPS图;

(f) 吸收的结构示意图;

(g) CsPbBrI2/CsPbI3 QD器件的J-V曲线;

(h) CsPbBrI2/CsPbI3 QD器件的EQE曲线.

图五:最优器件的性能

具有稳定效率14.4%分级带隙设计的无机CsPbI2Br-CsPbI3钙钛矿太阳能电池

(a) CsPbI3 QD厚度随器件性能的变化;

(b) 器件的稳态测试;

(c)-(f)不同参数的统计数据。

【小结】

研究表明,作者设计分级带隙的无机钙钛矿薄膜,调整了薄膜不同位置的带隙,增大了薄膜厚度,钝化表面,光电转换效率可达14.4%。这是目前已知的无机钙钛矿太阳能电池的最高效率。

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