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中科院化学所宋延林研究员课题组Nano Energy:高效钙钛矿回廊腔太阳能电池

中科院化学所宋延林研究员课题组Nano Energy:高效钙钛矿回廊腔太阳能电池中科院化学所宋延林研究员课题组Nano Energy:高效钙钛矿回廊腔太阳能电池

研究背景

有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池以其出色的光电转换效率引起了能源领域科学家的广泛研究,其光电转化性能得以不断提高。目前,经过认证的最高光电转换效率已突破22.7%,但仍未到达其理论计算效率31%。在追求高转换效率的同时,如何不断提高钙钛矿太阳能电池的稳定性、拓宽吸收光谱范围和增强光捕获性能是当前的研究热点。根报道,厚度约为300 nm的MAPbI3薄膜一次只能吸收约70% 的入射光。因此,可以通过改善光捕获效率和钙钛矿膜质量提高光电转换器件的效率。

【成果简介】

近日,中国科学院化学研究所宋延林研究员课题组人员受到回音壁对光/声反射的启发,通过简单的压印方法直接在钙钛矿活性层构筑利于光捕获的回廊腔(WG)结构,提高了器件对入射光的捕获性能。相较于纳米级的压印模板相比,微米级压印模板具有更为方便耐用的特点。微米压印在钙钛矿活性层表面构筑的回廊腔结构可以实现光捕获,并有效提高光伏器件的光电转换效率。该方法所制备的钙钛矿薄膜具有高的品质和较少的缺陷。此外,由于阵列化回廊腔结构可以有效地加速电子-空穴分离降低复合,使钙钛矿太阳能电池器件的光电转换效率达到19.80%,相较于对照器件的光电转换效率(15.30%)高出29.4%。该项工作以“High Efficient Perovskite Whispering-Gallery Solar Cells”为题发表在国际能源期刊Nano Energy上。论文第一作者是汪洋博士,通讯作者是宋延林研究员和李明珠研究员。

【图文导读】

目前,有诸多研究通过构筑光学结构和利用等离子体效应,作为提高钙钛矿器件光捕获性能的方法。然而,这些方法仍然有很多缺点会降低甚至会破坏器件的性能。例如,在电子传输层(TiO2,ZnO)上构建的额外光学结构虽然能够提高器件的入射光利用率,但势必增加器件的厚度,并且不可避免地在钙钛矿活性层与电子传输层中引入缺陷。而具有等离子体效应的核壳金属纳米材料由于其本身的体缺陷与表面缺陷会严重降低光伏性能和稳定性。因此,宋延林研究员课题组人员采用简单的压印方法直接在钙钛矿活性层构筑用于光捕获的回廊腔结构,不仅降低了器件结构厚度并避免了缺陷等不利因素,而且提高器件的入射光的光捕获性能和光电转换效率。

中科院化学所宋延林研究员课题组Nano Energy:高效钙钛矿回廊腔太阳能电池

图1. 回廊腔结构钙钛矿薄膜的制备示意图。中科院化学所宋延林研究员课题组Nano Energy:高效钙钛矿回廊腔太阳能电池

图2. 对比样品(a)和回廊腔结构钙钛矿薄膜(b)的光点图像,在633 nm处观察到衍射; WG结构钙钛矿膜的AFM图像(c)和线轮廓(d);在湿度条件下(RH = 50-55%)(f)制备WG结构钙钛矿薄膜的SEM图像;带有图形区域和非图形区域(e和g)的压印钙钛矿薄膜的SEM图像。

中科院化学所宋延林研究员课题组Nano Energy:高效钙钛矿回廊腔太阳能电池

图3. WG结构钙钛矿薄膜作为电子-空穴提取“触手”的示意图(a);示意图显示了钙钛矿薄膜中的WG结构性质(b)和WG结构钙钛矿薄膜光捕获(c);WG结构钙钛矿薄膜的实验和计算的吸收光谱(d)和反射与光捕获效率图(e);对于具有WG结构(f-h)和非WG结构(i-k)的钙钛矿层,每单位体积的光学吸收相对于-yz平面在570 nm,640 nm和730 nm波长下的空间分布。器件结构:FTO(I),TiO2层(II),钙钛矿活性层(III),Spiro-OMeTAD层(IV)和Au(V)。

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图4. 器件J-V曲线(a);EQE和积分电流Jsc(b);钙钛矿薄膜在FTO上的稳态PL光谱(c);在515 nm的光激发后,在FTO上钙钛矿薄膜的瞬态PL光谱(d);在偏压为0.8V的暗处,器件的奈奎斯特图(e)及等效电路;不同偏压下太阳能电池的复合电阻(f);器件的J-V滞后曲线(g);器件稳态电流密度(h)和光电转换效率(i)。

结论

采用简单的压印方法作为有效的方法构筑了回廊腔结构钙钛矿太阳能电池,降低了表面缺陷和提高了钙钛矿薄膜的品质。钙钛矿回廊腔结构器件可实现光捕获,阵列化的钙钛矿回廊腔结构作为“触手”可以加速电子-空穴分离并抑制复合,从而产生优异的光电转换性能。基于压印的回廊腔结构,最优的光电转换器件效率能够达到19.80%,相较于传统钙钛矿光电转换效率(15.30%)提高了29.4%。优化后的回廊腔钙钛矿器件展现了低J-V滞后。这些结果表明,压印技术是制造高性能钙钛矿太阳能电池的一种简便有效的方法。

文献信息:Wang Y, Li M, Zhou X, et al. High Efficient Perovskite Whispering-Gallery Solar Cells[J]. Nano Energy, 2018.

供稿 | 深圳市清新电源研究院

部门 | 媒体信息中心科技情报部

撰稿人 | 宋延林课题组

主编 | 张哲旭


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本文由清新电源原创,作者宋延林课题组,转载请申请并注明出处:http://www.sztspi.com/archives/144307.html

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