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钙钛矿今日Nature:增强电荷载流子管理,实现高效钙钛矿太阳能电池

众所周知,金属卤化物钙钛矿太阳能电池(PSCs)是一种新兴的光伏技术,具有打破成熟的硅太阳能电池市场的潜力。在过去的几年里,由于制备方式,化学组成和相位稳定方法的发展,器件性能有了很大的提高,使PSCs成为最有效和低成本的光伏技术之一。
【引言】
众所周知,金属卤化物钙钛矿太阳能电池(PSCs)是一种新兴的光伏技术,具有打破成熟的硅太阳能电池市场的潜力。在过去的几年里,由于制备方式,化学组成和相位稳定方法的发展,器件性能有了很大的提高,使PSCs成为最有效和低成本的光伏技术之一。但是,这些器件的捕光性能仍然受到过多电荷载流子复合的限制。尽管付出了很多努力,但最佳的PSCs的性能还是受到相对较低的填充因子和高开路电压缺陷的限制。电荷载流子管理的改善与填充因子和开路电压密切相关,因此为提高PSCs的器件性能并达到其理论效率极限提供了一条途径。其中,基于SnO2的电子输运层(ETLs)提供了有利的能带对齐,同时能在低温处加工。同时,在各种沉积方法中,基于SnO2纳米颗粒的ETLs表现出了迄今为止最好的性能。但是,基于SnO2纳米粒子的PSCs表现出相对较低的电致发光外部量子效率(EQE)。通过测量正向偏置下的发光效率确定的光伏器件的电致发光EQE是载流子复合辐射效率的直接度量。因此,至关重要的是开发出使ETLs/钙钛矿界面处的光电压损失最小化的策略,使VOC最小化缺陷,从而研究者寻求另一种可以充分发挥SnO2 ETL潜力的沉积方法。
鉴于此,麻省理工学院Moungi G. Bawendi,韩国化学技术研究所Jangwon SeoSeong Sik Shin(通讯作者)报告了一种通过增强电荷载流子管理来提高PSCs性能的整体方法。首先,通过调整二氧化锡(SnO2)的化学浴沉积来开发具有理想膜覆盖率,厚度和成分的电子传输层。其次,将钝化策略在本体和界面之间解耦,从而改善了性能,同时使带隙损失最小。研究表明,化学浴沉积过程中的Sn中间物在最终SnO2的质量和特性中起着至关重要的作用层。更具体地讲,各种Sn中间物质的形成取决于Sn2+前驱体(SnCl2)的分解途径,这取决于反应溶液的pH。在正向偏置中,本文的器件显示出高达17.2%的电致发光外量子效率和高达21.6%的电致发光能量转换效率。作为太阳能电池,它们可实现25.2%的认证功率转换效率,相当于其带隙热力学极限的80.5%。相关研究成果以“Efficient perovskite solar cells via improved carrier management”为题发表在Nature上。
【图文导读】

图一、FTO上氧化锡膜的合成与表征

图二、基于各种SnO2 ETLs的PSCs太阳能电池性能

图三不同MAPbBr3摩尔百分比的钙钛矿薄膜的特性

图四、具有0.8 mol% MAPbBr3的性能最佳的PSCs的设备

文献链接:“Efficient perovskite solar cells via improved carrier management(Nature,202110.1038/s41586-021-03285-w)


文章转载自微信公众号:材料人

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