鈣鈦礦電池
關注創(chuàng)建者：放學你等著 創(chuàng)建時間：2018-08-27
鈣鈦礦電池的實例教程
圖四 鈣鈦礦電池器件性能表征
(a) 鈣鈦礦電池器件結(jié)構(gòu)及J-V性能曲線；
(b) 鈣鈦礦電池的IPCE光譜；
(c) 鈣鈦礦電池的穩(wěn)態(tài)電流密度及光電轉(zhuǎn)換效率測試；
(d) 鈣鈦礦電池的效率統(tǒng)計分布。
圖五 載流子傳輸動力學研究
(a) 鈣鈦礦電池的Voc衰減曲線；
(b, c) 不同光強下測試得到鈣鈦礦電池的Jsc和Voc；
(d) 鈣鈦礦電池的EIS圖譜。
圖六 鈣鈦礦電池的穩(wěn)定性及遲滯測試
(a) 未封裝鈣鈦礦電池大氣環(huán)境下穩(wěn)定性測試；
(b) 未封裝鈣鈦礦電池在100mW cm-2光照下穩(wěn)定性測試；
(c, d) 鈣鈦礦電池的正反測試的J-V性能曲線。
圖七 柔性鈣鈦礦電池器件性能表征
(a) 柔性鈣鈦礦電池的J-V性能曲線；
(b) 柔性鈣鈦礦電池在不同彎曲半徑下的光電轉(zhuǎn)換效率；
(c) 柔性鈣鈦礦電池的IPCE光譜；
(d) 柔性鈣鈦礦電池的效率統(tǒng)計分布。
【小結(jié)】
研究人員使用E-SnO2作為平面鈣鈦礦電池的電子傳輸層，顯著改善了鈣鈦礦薄膜的晶粒尺寸和結(jié)晶性，使得器件光電轉(zhuǎn)換效率及穩(wěn)定性都有了極大提高。此外，將E-SnO2應用于柔性鈣鈦礦電池中，器件效率最高可達18.28%。
展開 圖三 鈣鈦礦薄膜的載流子動力學及缺陷鈍化表征
(a) 鈣鈦礦薄膜的穩(wěn)態(tài)PL光譜；
(b) 鈣鈦礦薄膜的TRPL光譜；
(c) 純電子傳輸?shù)?em>鈣鈦礦器件ITO/SnO2/perovskite/PCBM/LiF/Ag的J-V曲線；
(d) 鈣鈦礦電池的暗態(tài)J-V曲線，根據(jù)顯著減小的暗電流推斷出器件明顯增加的Voc，進一步證明了SA-2的缺陷鈍化作用；
(e) 純電子傳輸?shù)?em>鈣鈦礦器件的SCLC測試表明SA-2處理的鈣鈦礦器件顯示出更低的缺陷密度，進一步表明SA-2缺陷鈍化的有效性；
(f, g) 強度調(diào)制光電流(IMPS)和光電壓譜(IMVS)的Nyquist圖，進一步證明SA-2促進了光生載流子的快速提取以及缺陷的有效鈍化。
圖四 鈣鈦礦電池器件穩(wěn)定性測試
(a) 鈣鈦礦電池器件在持續(xù)光照下的穩(wěn)定性測試（溫度25℃，濕度60%）；
(b) 鈣鈦礦電池器件在無光照下的穩(wěn)定性測試（溫度25℃，濕度40%）；
(c) 鈣鈦礦電池器件在氮氣手套箱中100℃熱穩(wěn)定性測試；
(d) 鈣鈦礦薄膜的接觸角測試。
【小結(jié)】
在該研究中，作者在鈣鈦礦薄膜中引入半導體化學添加劑，制備得到高效率且穩(wěn)定的倒置結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦電池。研究人員通過在鈣鈦礦層中引入SA-1，顯著提高了器件的短路電流和填充因子，最高效率為18.8%，其效率的改善主要歸因于鈣鈦礦膜中較大晶粒的形成以及SA-1的較高載流子遷移率，進而減少了晶界并改善了載流子的提取。
展開 【引言】
有機無機雜化鈣鈦礦太陽能電池因其高的光電轉(zhuǎn)換效率及簡單廉價的制備工藝，在光伏領域掀起了新的研究熱潮，是當前發(fā)展最快的新一代薄膜光伏器件。短短幾年內(nèi)，基于當前主流的FA/MA混合陽離子體系的鈣鈦礦電池效率已經(jīng)達到22.7%，與商業(yè)化的晶硅太陽能電池相當。然而制約其進一步發(fā)展及應用的主要問題包括：MA陽離子的存在制約了器件的穩(wěn)定性（濕穩(wěn)和熱穩(wěn)）；反溶劑工藝難以實現(xiàn)大面積器件的制備；低溫制備得到的多晶鈣鈦礦薄膜晶界和界面處存在大量缺陷，誘導載流子非輻射復合，易于產(chǎn)生離子遷移及水/氧滲透等，嚴重影響器件的性能及穩(wěn)定性。這些因素為鈣鈦礦材料和分子添加劑工程設計提供了指導，尤其是增強鈣鈦礦層與空穴傳輸層之間的界面接觸。近年來已有研究主要集中在穩(wěn)定的FAxCs1-xPbX3成分的鈣鈦礦材料中，然而光電轉(zhuǎn)換效率都低于18%。為了獲得更高的電池性能，必須同時改善薄膜質(zhì)量并增強鈣鈦礦層與電子和空穴傳輸層的界面接觸。
【成果簡介】
近日，洛桑聯(lián)邦理工大學Michael Gr?tzel教授團隊提出多功能分子設計策略來調(diào)控鈣鈦礦的結(jié)構(gòu)和性能。團隊選用穩(wěn)定的FA0.9Cs0.1PbI3鈣鈦礦組分作為光吸收層，設計了多種小分子調(diào)節(jié)劑，分別為S、N及雙功能SN (分子結(jié)構(gòu)見圖1)，設計思路為使用能與鈣鈦礦特定組份相互作用的硫醇基和胺基來功能化疏水芳香團。團隊研究發(fā)現(xiàn)N能有效抑制A位陽離子空位缺陷，S能顯著增加晶粒尺寸并鈍化表面未配位的Pb(II)離子，并采用獨特的互變異構(gòu)形式連接這兩個功能基團進而獲得雙功能SN，同時增強了鈣鈦礦的晶粒尺寸和結(jié)晶度，減少了界面和表面的缺陷，有效改善了鈣鈦礦電池光伏性能。
展開 然而，此前報道的全鈣鈦礦疊層電池效率仍然低于單結(jié)電池的記錄效率（25.7%），且與理論預測效率43%還有較大的差距。現(xiàn)已報道的疊層電池的效率主要受限于較小的短路電流密度，其中窄帶隙鈣鈦礦電池無法實現(xiàn)高的短路電流，是導致疊層電池短路電流密度較小的最主要原因。鉛錫共混鈣鈦礦的晶粒表面缺陷密度高、載流子擴散長度較短，限制了厚鈣鈦礦吸光層薄膜在實際器件中的應用，制約了全鈣鈦礦疊層電池的性能。
為解決上述瓶頸，本工作提出通過鈍化窄帶隙鈣鈦礦晶粒表面缺陷來提升薄膜的載流子擴散長度，從而制備出具有較厚吸光層和更高短路電流密度的電池，為實現(xiàn)更高效率的疊層電池奠定基礎。
表界面缺陷鈍化是提升鈣鈦礦電池性能的常用策略，但鈍化分子與晶粒表面間的相互作用機制一直尚未明晰；其次，加熱結(jié)晶過程中，鈍化分子表面吸附動力學過程對于表面缺陷鈍化效果至關重要，但領域中前期研究對這一關鍵點尚未引起關注。本工作中，通過分子動力學模擬研究發(fā)現(xiàn)，常用的鈍化分子苯乙銨陽離子(PEA)在鈣鈦礦結(jié)晶過程中（溫度大約100°C），與鈣鈦礦晶粒表面的吸附較弱，未能完全鈍化表面缺陷位點。通過結(jié)構(gòu)設計來調(diào)控鈍化分子的極性，采用銨基端正電性更強的4-三氟甲基苯銨陽離子(CF3-PA)作為窄帶隙鈣鈦礦的鈍化分子，可以有效提升鈍化分子在結(jié)晶溫度下與缺陷位點的吸附能力。DFT計算結(jié)果表明，CF3-PA的極性強于PEA分子，與表面缺陷間具有更強的結(jié)合能，能更充分和更有效地鈍化表面缺陷（如圖1所示）。
圖1. 鈍化劑與窄帶隙鈣鈦礦表面的相互作用。
展開 圖三 鈣鈦礦電池器件性能表征
(a) 不同空穴傳輸層器件的J-V性能曲線；
(b) 不同空穴傳輸層器件的IPCE光譜。
圖四 鈣鈦礦電池光伏參數(shù)箱式分布
圖五 鈣鈦礦薄膜光學表征
(a) 穩(wěn)態(tài)PL光譜；
(b) 瞬態(tài)PL光譜。
圖六 鈣鈦礦電池器件的瞬態(tài)光電測試
(a) 短路條件下的瞬態(tài)光電流衰減測試；
(b) 開路條件下的瞬態(tài)光電壓衰減測試。
【小結(jié)】
研究人員采用Au和MoOx納米顆粒改性GO薄膜，用作反式鈣鈦礦太陽能電池的空穴傳輸層，器件的開路電壓明顯提高。其中MoOx功能化GO薄膜作為空穴傳輸層，因其p型摻雜效應，顯著抑制鈣鈦礦層與GO層界面的電荷復合，從而提高器件的性能。該研究為發(fā)展碳基空穴傳輸層鈣鈦礦電池提供了新的思路與方法，推動了反式鈣鈦礦器件的進一步發(fā)展。
文獻鏈接：Functionalization of Graphene Oxide Films with Au and MoOx Nanoparticles as Efficient p-Contact Electrodes for Inverted Planar Perovskite Solar Cells（Adv. Funct.
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未來再通過鈣鈦礦電池結(jié)合疊層技術，可制成鈣鈦礦、鈣鈦礦疊層太陽能電池。
今天我們通過對鈣鈦礦太陽能電池中的熱量分布進行擴展的三維(3-D)模擬。具體通過COMSOL Multiphysics光-電-熱耦合模塊研究了傳統(tǒng)鈣鈦礦太陽能電池中的溫度分布。在COMSOL Multiphysics波動光學模塊、半導體模塊和固體傳熱模塊的三維向?qū)е羞M行仿真。
02
建模與仿真
1.
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然而，由金屬鹵化物鈣鈦礦材料制成的鈣鈦礦太陽能電池，可能成本更低、更高效。現(xiàn)在，鈣鈦礦型太陽能電池在效率方面，可與更成熟的硅基太陽能電池相媲美。關鍵挑戰(zhàn)在于，這種電池存在化學不穩(wěn)定性。鈣鈦礦材料對水分、氧氣甚至光線都非常敏感，在空氣中會迅速降解。
一種甲脒鈣鈦礦（formamidinium perovskite）材料有助于解決這一問題。
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