鈣鈦礦今日Nature:增強電荷載流子管理,實現高效鈣鈦礦太陽能電池

【引言】
眾所周知,金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)是一種新興的光伏技術,具有打破成熟的硅太陽能電池市場的潛力。在過去的幾年里,由于制備方式,化學組成和相位穩定方法的發展,器件性能有了很大的提高,使PSCs成為最有效和低成本的光伏技術之一。但是,這些器件的捕光性能仍然受到過多電荷載流子復合的限制。盡管付出了很多努力,但最佳的PSCs的性能還是受到相對較低的填充因子和高開路電壓缺陷的限制。電荷載流子管理的改善與填充因子和開路電壓密切相關,因此為提高PSCs的器件性能并達到其理論效率極限提供了一條途徑。其中,基于SnO2的電子輸運層(ETLs)提供了有利的能帶對齊,同時能在低溫處加工。同時,在各種沉積方法中,基于SnO2納米顆粒的ETLs表現出了迄今為止最好的性能。但是,基于SnO2納米粒子的PSCs表現出相對較低的電致發光外部量子效率(EQE)。通過測量正向偏置下的發光效率確定的光伏器件的電致發光EQE是載流子復合輻射效率的直接度量。因此,至關重要的是開發出使ETLs/鈣鈦礦界面處的光電壓損失最小化的策略,使VOC最小化缺陷,從而研究者尋求另一種可以充分發揮SnO2 ETL潛力的沉積方法。
鑒于此,麻省理工學院Moungi G. Bawendi,韓國化學技術研究所Jangwon SeoSeong Sik Shin(通訊作者)報告了一種通過增強電荷載流子管理來提高PSCs性能的整體方法。首先,通過調整二氧化錫(SnO2)的化學浴沉積來開發具有理想膜覆蓋率,厚度和成分的電子傳輸層。其次,將鈍化策略在本體和界面之間解耦,從而改善了性能,同時使帶隙損失最小。研究表明,化學浴沉積過程中的Sn中間物在最終SnO2的質量和特性中起著至關重要的作用層。更具體地講,各種Sn中間物質的形成取決于Sn2+前驅體(SnCl2)的分解途徑,這取決于反應溶液的pH。在正向偏置中,本文的器件顯示出高達17.2%的電致發光外量子效率和高達21.6%的電致發光能量轉換效率。作為太陽能電池,它們可實現25.2%的認證功率轉換效率,相當于其帶隙熱力學極限的80.5%。相關研究成果以“Efficient perovskite solar cells via improved carrier management”為題發表在Nature上。
【圖文導讀】

圖一、FTO上氧化錫膜的合成與表征

圖二、基于各種SnO2 ETLs的PSCs太陽能電池性能

圖三不同MAPbBr3摩爾百分比的鈣鈦礦薄膜的特性

圖四、具有0.8 mol% MAPbBr3的性能最佳的PSCs的設備

文獻鏈接:“Efficient perovskite solar cells via improved carrier management(Nature,202110.1038/s41586-021-03285-w)


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