北京理工陈棋晶体成核技术稳定钙钛矿/晶硅叠层电池均匀卤素分布

混合卤化物钙钛矿太阳能电池，尤其是钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池 (PSTs)，展现出巨大的潜力，但其长期稳定性，尤其是宽带隙 (WBG) 钙钛矿吸收体的稳定性，仍然是一个挑战。WBG 吸收体薄膜的晶体质量差和多晶取向导致离子迁移和相分离，从而降低器件寿命。来自北京理工大学的陈棋团队于Science 2024年8月1日第6708期中发表研究中，着重于成核工程，通过促进 3C 相成核并控制前体组成，以获得具有优异晶体质量和纹理的 WBG 吸收体。这种方法有效减少了非辐射复合，增强了对热降解、离子迁移和相分离的稳定性。基于此，团队实现了在 1 cm2 和 25 cm2 活性区域中分别为 32.5% 和 29.4% 的高效率 钙钛矿/晶硅叠层电池，并在长期稳定性方面取得了显着突破。导读目录1.          晶体成核工程技术改善了各种老化应力的影响力  2.          研究结果表征3.          成果：结晶核工程有效提升高效叠层太阳能电池效率与长期稳定性  晶体成核工程技术改善了各种老化应力的影响力陈棋研究团队主要针对宽带隙WBG的特性进行优化的程序，通过在任何溴化物富集聚集和2H相形成之前，优先核化3C相，实现了宽带隙（WBG）吸收层的改善结晶性和强纹理，从而抑制了非辐射复合，增强了对各种老化应力的抵抗力。1.          结晶质量和纹理特性：改善宽带隙（WBG）吸收体的结晶性和纹理，解决因结晶质量差导致的问题，如多晶粒取向和晶面暴露。2.          非辐射复合和能量损失：减少非辐射复合，提高能量转换效率，通过准费米能级分裂（QFLS）和时间分辨光致发射（TRPL）来评估和改善载流子行为。3.          溴化物分布和相分离：解决因溴化物不均匀分布和相分离导致的问题，通过核工程促进3C相的成核，避免溴化物的迁移和相转变。4.          晶体生长过程控制：通过核工程和薄膜沉积技术，控制晶体生长过程，从而实现高度定向的晶体生长和改善的结晶质量。实验步骤1.          前驱体制备：使用特定的化学试剂和溶剂制备钙钛矿前驱体，包括PbI2、PbBr2、CsI、MAI、FAI等。将这些化学物质溶解在混合溶剂中，如DMF和DMSO的混合物，并在50°C下搅拌3小时直至溶解，然后过滤。2.          添加成核剂：在前驱体中添加不同浓度的长链烷基胺盐，如OAmI（烯丙基铵碘），以控制成核过程。3.          旋转涂布：将过滤后的前驱体溶液旋转涂布在合适的基板上，如石英、ITO或硅太阳能电池。采用特定的旋转涂布参数，如旋转速度和时间，以控制薄膜的厚度和均匀性。4.          抗溶剂处理：在旋转涂布过程中，使用抗溶剂（如氯苯）来促进薄膜的结晶和均匀性。5.          真空淬火：将涂布好的薄膜立即转移到自制的真空闪炉中，进行真空淬火处理，以进一步改进晶体的质量和均匀性。6.          气体淬火：在旋转涂布过程中，使用氮气流来淬火，促进薄膜的结晶。7.          Slot-die涂布和真空淬火：8.          使用Slot-die涂布技术，结合真空淬火，来沉积大面积的钙钛矿薄膜。研究结果表征研究团队采用综合性量测手法的应用一一进行验证，不仅帮助研究团队深入理解和改进WBG吸收体的结晶质量、稳定性和太阳能电池的整体性能，透过补充数据的记载中，了解到研究团队采用XRD和GIWAX用于评估多晶吸收体的结晶质量和纹理特性，从而理解晶体的生长和相转变过程;能量损失和载流子行为采用PL和QFL，量化能量损失，从而了解非辐射复合中心的数量; TRPL的量测用于研究WBG吸收体的载流子寿命，进一步评估非辐射复合中心的数量和影响。原位和离体PL测量，研究溴化物在退火过程中的分布和光稳定性，从而解决因溴化物迁移和相分离导致的问题; 原位GIWAXS测量，在程序化的退火过程中追踪晶体生长的实时变化，从而理解核工程对晶体生长的影响。X射线衍射（XRD）：二维同步辐射掠入射宽角X射线散射（GIWAXS）：扫描电子显微镜（SEM）：紫外-可见-近红外（UV-VIS-NIR）分光亮度计：光致发光（PL）光谱：使用PL光谱仪来测量钙钛矿薄膜的光致发光特性。PL光谱可以提供关于薄膜的能带结构、激子复合和缺陷的信息。准费米能级分裂（QFLS）计算：通过PL强度的对比，计算准费米能级分裂的增强，从而评估电子-空穴复合情况和薄膜的电学性能。太阳能电池性能测试：研究团队采用了光焱科技QE-R 量子效率量测设备进行测量单结和串联太阳能电池的电流-电压（J-V）特性，以及外量子效率（EQE）谱。这些数据可以用来评估太阳能电池的性能，如开路电压（Voc）、短路电流（Jsc）、填充因子（FF）和转换效率（PCE）。快速取得叠层太阳能电池量测步骤示意图o    图 S25. 单结 WBG 太阳能电池的光伏参数，包括 (A) 开路电压 (VOC)、(B) 短路电流密度 (JSC)、(C) 填充因子 (FF) 和 (D) 光电转换效率 (PCE)。这些电池的吸收层由不同浓度辛胺碘化物 (OAmI) 和真空淬火制备的前驱体制成。器件结构为 ITO/polyTPD/PFNBr/WBG 吸收层/C60/BCP/Cu。当 OAmI 浓度超过 1 mg/mL 时，很可能在晶界处存在一些非晶绝缘层，这会影响载流子提取，从而降低最终器件的填充因子。      图 S26. 叠层器件在 1.69 V 电压下的稳定功率输出       (SPO)          稳定性测试：对钙钛矿吸收层和太阳能电池进行热稳定性、光稳定性和长期稳定性测试。通过长时间的老化测试，评估材料和器件的稳定性。o    针对本研究发表中另一项关注的核心" 稳定性和耐久性"，团队使用了光焱科技的SS-X系列太阳光模拟器进行环境压力与温度测试，在仿真环境中，通过全谱照明、操作温度等来评估设备的性能稳定性。另外，也进行了长时间操作稳定性测试：通过在最大功率点（MPP）条件下进行连续1-sun照明，来评估封装设备的长期稳定性，解决因热、光或电压引起的降解问题。o    o    o    快速取得叠层太阳能电池量测步骤示意图成果：结晶核工程有效提升高效叠层太阳能电池效率与长期稳定性研究团队透过各项痛点的突破及表征技术的应用验证上，成功地达成几项惊人的成果并获得Science及中国计量所的认证。1.             核工程策略：通过在钙钛矿前驱体中添加长链烷基胺配体，促进了3C相的成核，避免了溴化物的不均匀分布和随后的相转变。2.           结晶质量和纹理改善：实现了WBG吸收体的改善结晶质量和强纹理，从而减少非辐射复合，提高了能量转换效率和稳定性。3.           高效率太阳能电池：在1cm2和25cm2活性区域下分别实现了32.5%和29.4%的高PCE。优化的封装PST在25°C和50°C下分别保持了98.3%和90%的初始PCE，显示出良好的长期运行稳定性。4.          长期运行稳定性：o     通过核工程和薄膜沉积技术，提高了太阳能电池在长期运行中的稳定性，特别是在不同温度条件下。o     长时间操作稳定性测试显示，封装设备在1301和800小时后分别保持了初始PCE的98.3%和90%。5.          大面积制造均匀性：o     解决了大面积制造中的均匀性问题，实现了大面积WBG吸收体的均匀结晶质量和纹理，从而实现高效的大面积太阳能电池。推荐产品QE-R_光伏 / 太阳能电池量子效率测量解决方案具有以下特色优势：高精度: QE-R 系统采用高精度光谱仪和校准光源，确保 EQE 测量的准确性和可靠性。宽光谱范围:QE-R 系统的光谱范围覆盖紫外到近红外区域，适用于各种光伏材料和器件的 EQE 测量。快速测量:QE-R 系统具有快速扫描和数据采集功能，能够高效地进行 EQE 光谱测量。易于操作:QE-R 系统软件界面友好，操作简单方便，即使是初学者也能轻松上手。多功能:QE-R 系统不仅可以进行 EQE 测量，还可以进行反射率、透射率等光学特性的测量，具有多功能性。文献参考自Science 1st Aug.2024_ DOI: 10.1126/science.ado9104本文章为Enlitech光焱科技改写 用于科研学术分享 如有任何侵权  请来信告知