Solar RRL: 双面碘化铅钝化钙钛矿可实现22%稳定转换效率

太阳能电池作为太阳能利用中最重要的转换器件受到人们的广泛关注。钙钛矿电池作为薄膜太阳能电池的一个典型代表,不仅制作工艺简单、材料成本低廉,而且缺陷态容忍度高。它被认为是目前最有应用前景的新型太阳能电池器件之一。

这种有机无机杂化钙钛矿太阳能单结电池报道的最高效率已经超过22%;从目前的器件性能参数来看,后续效率提升主要依赖于填充因子和开路电压的进一步提高,而这需要实现更加优异的界面,比如更有效的载流子转移和更慢的界面复合。

北京大学物理学院的赵清教授课题组在之前发展的籽晶诱导的两步法的基础上,进行了系统的界面优化,分别通过控制有机胺盐(NH2CHNH2I/CH3NH3Br)在碘化铅(PbI2)上的反应深度,钙钛矿后续的分解程度,以及钙钛矿表面的溶剂处理,实现了钙钛矿薄膜的顶部、底部以及晶界处PbI2的形成这一系列的钝化。最终平面电池器件的稳态输出效率超过了22%,稳态的开路电压达到了1.15V(相对于带隙宽度损耗仅为0.38V),基本为1.53eV带隙钙钛矿电池的最低开路电压损失。通过时间分辨的荧光检测以及详细的阻抗谱分析,证实了PbI2和钙钛矿的界面是一个缺陷非常少的界面,几乎可以和Si/SiO2界面相媲美。不仅如此,PbI2也几乎是一个对钙钛矿薄膜普适的钝化材料,无论是晶界处,还是薄膜顶部和底部都表现出明显的钝化效果。这种钝化效果在钙钛矿太阳电池的开路电压中体现的非常明显,从没有任何PbI2钝化的1.04V提高到了双面PbI2钝化的1.15V。

器件性能和结构

这些数据充分表明了钙钛矿界面钝化对器件效率提升的重要性,也同时证明了PbI2是一个非常有效的钝化材料。该工作为钙钛矿太阳能电池进一步的提升提供了新的思路。相关工作发表在Solar RRL(DOI: 10.1002/solr.201800296)上。

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