低温溶液法制备高性能宽能带薄膜钙钛矿太阳能电池

Untitled硅基单晶太阳能电池已经能达到24-25%的实验室功率转换效率,并且已经成功商业化生产出了较低成本的太阳能面板为中国和全世界提供了许多清洁可再生能源。但是与非可再生能源比,这种太阳能电池板生产出的电力成本还并无竞争力, 而进一步提高这些电池板的能量转换效率更可以降低发电成本。硅基单晶太阳能电池已经研发了超过半个世纪了,它的效率也已经接近它的理论极限, 所以单研究硅基单晶太阳能电池来降低成本已经几乎不可能。 一个新的解决方案就是找到一种廉价的材料,可以与硅太阳能电池板配合形成串接太阳电池来提高整体效率。串接太阳电池利用两个或者超过不同带隙的两个半导体材料来吸收不同颜色的光,从而能够更加有效的利用全光谱的太阳能。 硅的带隙为1.12 eV, 与其最佳匹配的材料需要有大约1.72 eV 的带隙。这样才有可能将整体的串联电池效率提高到30%以上。

有机金属三卤化钙钛矿在自然界具有丰富的储量,通过这种材料所制备出的薄膜太阳能电池效率已经达到了20%以上。在制备工艺上可以使用低成本溶液法。因此这种太阳能电池是很有潜力与硅太阳能电池配合形成串联电池。然而,这种材料无法直接与硅太阳能电池配合来形成高效率的串联电池。原因有二个: 1)高效率的此种薄膜太阳能电池都是基于1.55 eV带隙的有机金属三碘化钙钛矿,与硅配合起来带隙仍然太小;2)许多最有效的薄膜太阳能电池多使用多孔二氧化钛作为电子萃取层,然而这种多孔二氧化钛需要在多达400℃下形成。这种高温制备工艺会破坏底部的硅太阳能电池的性能,从而降低整体串联电池的效率。

美国内布拉斯加大学林肯分校黄劲松教授和合作者们, 包括毕程, 通过在有机金属三碘化钙钛矿体系中参入一定量的溴, 将带隙从1.55 eV扩大到 最优化的1.72 eV, 从而达到配合硅的的带隙的目的。他们使用溶液旋涂的方法,在较低的温度下制备了基于此材料的高性能薄膜太阳能电池。光电转化效率达到了13.1%,是具有此钟带隙的太阳能电池中报道的最高数值。相关结果发表在Advanced Energy Materials上。他们最近已经能把效率提高到16%,是这个带隙宽度的半导体材料所能达到的效率的最高的一个。

对于此类宽带隙的吸收材料需要足够的厚的活性层来吸收绝大部分的入射光来产生最大的光电流。然而太厚的活性层会使光生载流子无法达到电极,从而无法被收集来产生电流。他们利用了两项他们自己发明的技术来优化这些器件,使得 420至600 nm的厚度即可吸收绝大部分入射光,同时保证载流子能被有效收集。首先,他们使用溶剂退火的办法在较厚的钙钛矿膜中形成和膜厚相似大小的晶粒,显著减少载流子在晶界的复合。其次他们使用石墨稀钝化钙钛矿活性层的表面和晶界的载流子陷阱,进一步减少载流子的复合。最后得到高性能的器件。这种宽带隙高性能钙钛矿太阳能电池的制备工艺符合与硅形成串联电池的要求。此工作对未来的钙钛矿/硅太阳能串接电池的研究铺垫的基石。

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