基于空穴選擇性夾層的鈣鈦礦太陽能電池效率達到 26.39%

近日，中國華僑大學的科學家們設計了一種鈣鈦礦太陽能電池，它利用空穴選擇性夾層抑制離子擴散來提高器件的穩(wěn)定性。

離子遷移被認為是鈣鈦礦太陽能電池不穩(wěn)定的關鍵原因。當鈣鈦礦薄膜中的軟晶格和相對較弱的鍵導致缺陷的形成能較低時，就會發(fā)生這種情況，因此熱和光很容易激活鈣鈦礦晶格內(nèi)的離子缺陷。離子的積累使局部晶體結(jié)構(gòu)變形并降解鈣鈦礦膜，包括電子傳輸層 (ETL) 和空穴傳輸層 (HTL) 以及電極。

研究人員解釋說：“在鈣鈦礦太陽能電池中加入空穴選擇性夾層的想法受到質(zhì)子交換膜 (PEM) 燃料電池的啟發(fā)，其中 PEM 充當質(zhì)子導體，同時阻止其他化學物質(zhì)的擴散?！霸O計阻止層間離子擴散的內(nèi)部屏障對于提高鈣鈦礦太陽能電池的使用壽命至關重要。”

研究小組使用一種稱為 PDTBT2T-FTBDT (D18) 的超薄聚合物材料構(gòu)建了空穴選擇性中間層，據(jù)報道，由于其稀釋溶液的高流動性，該材料可在鈣鈦礦薄膜表面提供保形覆蓋。它還具有與鈣鈦礦吸收器和 Spiro-OmetaD HTL 相匹配的能級對齊功能。

學者們通過在鈣鈦礦膜頂部旋涂 D18 的熱氯苯 (CB) 溶液來沉積夾層，據(jù)報道，這導致了致密膜的形成。他們用玻璃和摻氟錫氧化物 (FTO) 制成的襯底、基于氧化錫 (SnO2) 的 ETL、鈣鈦礦吸收劑、D18 中間層、Spiro-OmetaD HTL 和金 (Au) 金屬觸點構(gòu)建了太陽能電池。

該小組評估了夾層駐留離子擴散的有效性，發(fā)現(xiàn)與最常用的聚合物 P3HT 和 PTAA 相比，它提供了卓越的性能?！敖Y(jié)果表明，D18 層在熱應力下具有強大的離子阻擋能力，”它進一步解釋說?！癉18 與鈣鈦礦晶粒和晶界緊密接觸，提供保形覆蓋?！?/span>

建議的 0.12 厘米2在標準照明條件下對太陽能電池進行了測試，發(fā)現(xiàn)其功率轉(zhuǎn)換效率為 26.39%，開路電壓為 1.185 V，短路電流為 26.54 mA cm-2，填充因子為 83.92%。相比之下，沒有 D18 層的參考電池的效率為 24.43%，開路電壓為 1.152 V，短路電流為 26.39 mA cm?2，填充因子為 80.37%。

“我們已經(jīng)證明，聚合物 D18 夾層的引入可以有效地阻止鈣鈦礦太陽能電池內(nèi)的層間離子擴散，同時保持高效的空穴傳輸，從而顯著提高 n-i-p 電池的穩(wěn)定性，認證效率超過 26%，”研究人員說，并指出該電池還能夠在 1,100 小時后保持 95.4% 的初始效率。

他們還聲稱該設備是目前“最穩(wěn)定”的鈣鈦礦太陽能電池，具有很高的效率水平。

新電池概念在最近發(fā)表在《自然通訊》上的研究“Ultrathin polymer membrane for improved hole extraction and ion blocking in perovskite solar cells”中提出。