解決方案
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助力鈣鈦礦太陽能電池技術新發展 —卓立漢光太陽能電池測試系統解決方案
鈣鈦礦太陽能電池簡介
太陽能電池是通過光電效應或者光化學效應直接把光能轉化成電能的裝置。簡單的說,太陽光電的發電原理,是利用太陽電池吸收400nm~1100nm波長(針對硅晶)的太陽光,將光能直接轉變成電能輸出的一種發電方式。
太陽能技術發展大致經歷了三個階段:第一代太陽能電池主要指單晶硅和多晶硅太陽能電池,其在實驗室的光電轉換效率已經分別達到25%和20.4%;第二代太陽能電池主要包括非晶硅薄膜電池和多晶硅薄膜電池。第三代太陽能電池主要指具有高轉換效率的一些新概念電池, 如染料敏化電池、量子點電池以及有機太陽能電池等。
鈣鈦礦型太陽能電池(perovskite solar cells),是利用鈣鈦礦型的有機金屬鹵化物半導體作為吸光材料的太陽能電池,屬于第三代太陽能電池,也稱作新概念太陽能電池,是《科學》雜志評選的2013年度十大科技突破之一,是一種有望進一步降低光伏發電價格的新型光伏體系。目前鈣鈦礦太陽電池發展現狀良好,但仍有若干關鍵因素可能制約鈣鈦礦太陽電池的發展,其中關鍵問題之一是電池的穩定性問題。
 
鈣鈦礦電池技術新發展—新型鈍化技術
近年來,金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)的能量轉化效率顯著提高,從2009年的3.8%提升至2018年的23.7%,這得益于鈣鈦礦電池吸光系數高、載流子遷移率高、載流子壽命長等令人著迷的光學和電子特性。不僅如此,制作工藝簡單、材料成本低廉,也使它成為目前有應用前景的新型太陽能電池器件之一。然而,研究人員發現無機-有機混合型鈣鈦礦甲胺鉛碘(MAPbI3)材料對于水、氧非常敏感。除此之外,鈣鈦礦太陽能薄膜電池各功能層之間存在界面缺陷,這些缺陷會引起鈣鈦礦分解,降低器件的穩定性,加速器件老化。因此,如何減少或鈍化器件中的缺陷對于制備高性能、高穩定性電池至關重要。
 
根據不同的鈍化位置和鈍化目的,對鈣鈦礦太陽能電池的鈍化技術可以分為以下幾類:
1、電子傳輸層與鈣鈦礦層。大多數高性能的鈣鈦礦太陽能電池采用TiO2作為電子傳輸層,但TiO2是很好的光催化劑,會加速器件性能衰減??梢醞ü錮碭衾氳繾喲洳愫透祁芽蟛?,提高器件的穩定性。同時,TiO2與鈣鈦礦層的缺陷可能導致器件的光伏回滯特性,采用I主族金屬元素、氯化物、聚合物摻雜等方法可以減少激子復合和回滯。
2、鈣鈦礦層和空穴傳輸層。鈣鈦礦層和空穴傳輸層之間由于懸空鍵的存在,鈣鈦礦表面存在大量缺陷,激子復合率高。通過在兩層間加入一超薄的PMMA層或Al2O3層,可以有效鈍化界面,阻擋激子復合并提升器件性能。
3、鈣鈦礦層本身。在鈣鈦礦層中加入含陽離子的憎水大分子,?;じ祁芽蟛?,避免水汽侵入,從而提升鈣鈦礦太陽能電池的濕穩定性。
 
北京大學物理學院的趙清教授課題組在之前發展的籽晶誘導的基礎上,進行了系統的界面優化,通過分別控制有機胺鹽(NH2CHNH2I/CH3NH3Br)在碘化鉛(PbI2)上的反應深度,鈣鈦礦的分解程度,以及鈣鈦礦表面的溶劑處理,實現了鈣鈦礦薄膜的頂部、底部以及晶界處PbI2的形成這一系列的鈍化。得到穩態輸出效率超過了22%,穩態開路電壓1.15V(相對于帶隙寬度損耗僅為0.38V)的鈣鈦礦電池,基本為1.53eV帶隙鈣鈦礦電池的*低開路電壓損失。通過時間分辨的熒光檢測以及詳細的阻抗譜分析,證實PbI2和鈣鈦礦的界面是一個缺陷非常少的界面,幾乎可以和Si/SiO2界面相媲美。(相關工作發表在Solar RRL(DOI: 10.1002/solr.201800296)上。)

非鈍化、單面鈍化與雙面鈍化對比圖
 
中科院化學研究所胡勁松研究員課題組與于貴研究員課題組及天津大學化工學院馮亞青教授課題組合作發表了題目為“High-Mobility Hydrophobic Conjugated Polymer as Effective Interlayer for Air-Stable Efficient Perovskite Solar Cells”的文章。本文介紹了一種通過引入高遷移率疏水共軛高分子界面層來解決空穴傳輸層添加劑導致器件不穩定問題并同時改善器件轉換效率的方法。研究人員在鈣鈦礦太陽能電池的鈣鈦礦層與傳統空穴傳輸層(Spiro-OMeTAD)間引入一種具有高遷移率的疏水共軛高分子(PD-10-DTTE-7)界面層,顯著提高了鈣鈦礦太陽能電池的空氣穩定性和光電轉換效率(相關工作在線發表在Solar RRL(DOI: 10.1002/solr.201800232)上)
 
石墨炔是一種sp和sp2雜化的π共軛體系的二維材料,n型半導體特性,且擁有適當的帶隙、高電子態密度及良好的疏水性。中科院物理研究所孟慶波課題組與化學研究所李玉良課題組在這一領域開展深入合作,將石墨炔引入到了FA0.85MA0.15Pb(I0.85Br0.15)3鈣鈦礦膜中,構建了石墨炔/鈣鈦礦體相異質結薄膜。在此基礎上,制備了高效、水穩定性優異的鈣鈦礦太陽能電池。實驗表明,鈣鈦礦/石墨炔體相異質結促進了激子分離并提高光生電子的抽取能力,提升了電子傳輸能力,電池的短路電流升高。另外,石墨炔的引入鈍化了晶界和界面缺陷,有效地抑制了光生載流子的復合,獲得了相對較高的填充因子,以及20.54%的光電轉換效率。此外,基于石墨炔/鈣鈦礦體相異質結的鈣鈦礦薄膜的抗濕性得到明顯提升。(相關結果發表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201802012)上。)
 
卓立漢光為鈣鈦礦電池測試提供特殊定制樣品臺
 
鈣鈦礦太陽能電池除兩端電極外,功能層分為空穴傳輸層(NiOx)、鈣鈦礦層(CH3NH3PbI3)以及電子傳輸層(ZnO)。太陽光從ITO玻璃面入射,電極在入射光背面,稱為背電極結構。陰極為Al、陽極為ITO。
卓立漢光針對這種背電極結構的鈣鈦礦太陽能電池提供定制樣品探針臺,QE-F6-D。由于不同客戶制作的電池尺寸和電極位置不同,因此卓立漢光針對每個客戶的電池尺寸及電極位置量身定做樣品臺,達到電極接觸良好、不遮光、不易損壞ITO膜及同一樣品上不同電池塊輸出的快速切換。
QE-F6-D使用簡單,只需三步就可以完成樣品安裝:
1、解鎖打開上蓋;
2、ITO面朝上放入樣品臺;
3、扣上蓋鎖好,旋轉旋鈕選擇不同電池片的電流輸出;
 
鈣鈦礦電池結構                           QE-F6-D 樣品探針臺
                                                                   
卓立漢光提供全套鈣鈦礦電池測試系統
1、IV系統

功能:測量太陽能電池短路電流、短路電流密度、開路電壓、*大功率、*大功率電流、*大功率電壓、填充因子、光電轉換效率、正反向調速掃描與暗電流扣除功能。
特點:AAA級太陽光模擬器,長時間穩定性好(不穩定度<0.8%)可用于長時間穩定性測試,模擬器光出口四個方向可調滿足客戶樣品在手套箱里面的測試需求,出光口??毓飫黃獎閼詮飧謊?。
系統組成:太陽光模擬器、標準單晶硅太陽電池(中國計量研究院標定)、吉時利2400源表、樣品探針臺、IV軟件。
 
圖引自Constructing CsPbBr3 Cluster Passivated-Triple Cation Perovskite for Highly Efficient and Operationally Stable Solar Cells.
 
2、QE系統
功能:光譜響應度、外量子效率、內量子效率、反射率、透射率、積分短路電流密度、光束誘導電流。
特點:測量結果重復性高測量結果準確可重復,自動化測試流程高簡化測試員工作、測試出錯率低,系統*小光斑直徑小于1mm滿足小面積電池的測試需求,高穩定性高強度光源不同重復標定標準探測器,節省測試時間,高強度光源充分激發電池效率,測試結果更準確,全反射光路無色差測試結果無偏差。
圖引自Efficient Perovskite Solar Cells Fabricated Through CsCl-Enhanced PbI2 Precursor via Sequential Deposition.
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