WILEY :争鸣 | 钙钛矿光伏 3.0

ASN/MVC 的广大读者朋友们:

大家好!

我们于2021年5月推出WILEY · 争鸣栏目,受到很多读者的欢迎。今天,我们将上线第二期内容“钙钛矿光伏”,并借此机会重申这一专栏的初衷:

我们在跟作者/读者交流的过程中发现,很多研究学者们,尤其是青年科学家,博士后,以及学生群体常常会问 “什么是某某领域待解决的关键问题”,“如何看待某某领域的未来方向”等等。这些问题不仅困惑着作者,也一直是期刊编辑思考的重点内容。什么主题的文章才是领域内的读者们更感兴趣的?我们该从期刊出版的角度做些什么来助力学科的发展?近年来,随着新型材料领域的飞速发展(储能,光电,催化,生物医学等),科研成果百家争鸣。在这样的背景下,我们想尽自己的微薄之力,邀请一些领域内的专家学者们针对所在领域的“关键问题”发表看法和评论,希望能够在一定程度上引导读者们共同探讨这些问题的解决方案,进而促进该领域的发展。

我们将在工作日每天持续更新2 – 3位专家学者的观点(随机按文章长度排序),期待大家的评论,转发和持续关注,希望借助我们ASN的平台和各位专家学者共同努力来助力钙钛矿光伏领域的发展。你们的关注就是我们努力的动力!

祝各位读者健康快乐!                                                                                               

主题:针对钙钛矿光伏领域的关键问题/瓶颈,您有什么看法/评论呢?您最感兴趣的具体科学问题是什么?

陈聪

四川大学 特聘副研究员

赵德威

四川大学 特聘研究员

钙钛矿太阳能电池经过近几年的发展,小面积单结电池认证的光电转换效率(PCE)已达到25.5%,为了进一步提升钙钛矿太阳能电池的效率,构建钙钛矿叠层太阳能电池是一种有效的策略,而钙钛矿带隙的可调性恰好为制备高效叠层太阳能电池提供了可能。叠层太阳能电池是由不同带隙的吸光材料叠加组合而成,其中高能光子被宽带隙顶部子电池(顶电池)所吸收,而穿透过的低能光子被窄带隙底部子电池(底电池)所吸收,从而减少了热动力学损失,其光电转换效率有望打破单结太阳能电池肖克利-奎伊瑟(SQ)理论极限效率。

在过去的5年内,钙钛矿基叠层太阳能电池进步空前,器件的效率接近甚至超过其单结电池的记录效率。钙钛矿-Si和钙钛矿-CIGS两端(2-T)叠层太阳能电池的认证效率目前分别达到29.5%和24.2%,显示出钙钛矿叠层器件的优势。与真空法制备的c-Si和CIGS相比,溶液法制备的锡-铅(Sn-Pb)混合窄带隙钙钛矿太阳能电池的效率近年来不断提高,越来越受到关注,目前报道的最高值达到~21.7%。宽带隙和窄带隙钙钛矿太阳能电池的高效率证明了构建高效钙钛矿-钙钛矿(全钙钛矿)叠层太阳能电池的可行性。由宽带隙(1.75-1.85 eV)钙钛矿顶电池和窄带隙(1.2-1.3 eV)钙钛矿底电池组成的全钙钛矿叠层太阳能电池最近受到了广泛的关注,其效率迅速攀升,四端(4-T)叠层电池的效率已超过25%,两端(2-T)叠层电池的效率也提高到26.4%。这些巨大的进步证明了全钙钛矿叠层太阳能电池具有美好的发展与应用前景,有望为光伏领域带来革命性的变化。

目前,我们课题组主要集中于全钙钛矿叠层太阳能电池的研究,就此谈谈其中的瓶颈问题:

(1)锡铅(Sn-Pb)混合窄带隙钙钛矿材料与器件稳定性

Sn元素的引入使得Sn-Pb窄带隙钙钛矿的结晶速度加快,结晶成膜过程的调控极其重要。另外,前驱液或薄膜中Sn2+容易氧化为Sn4+会增加Sn空位密度,导致高背底空穴密度和较差的光电性质(例如,载流子寿命/扩散长度短),因而制备过程非常受限于环境氛围。作为叠层器件中的底电池,需要较厚的薄膜以此来获得足够的光电流达到与顶电池的电流匹配,而更厚的窄带隙钙钛矿薄膜通常会引入更多的缺陷,造成较大的非辐射复合损失与较差的稳定性。因此,制备高质量稳定低缺陷态密度的窄带隙钙钛矿对发展全钙钛矿叠层电池至关重要。可采用抗氧化剂或还原剂材料、控制钙钛矿结晶动力学的添加剂分子来提高窄带隙钙钛矿的薄膜质量以此提升器件性能。

(2)宽带隙钙钛矿器件的开路电压损失

作为全钙钛矿叠层器件中的顶电池,宽带隙钙钛矿的带隙范围通常为~1.75-1.85 eV,因而钙钛矿组分中溴(Br)含量相对较高,导致形成的宽带隙钙钛矿光照不稳定,即严重的光致卤化物相偏析;同时高含量的Br也会加快钙钛矿结晶速率,引入更多的体缺陷和界面缺陷(表现为低光致发光量子产率),增加非辐射复合中心;另外,宽带隙钙钛矿与电荷传输层的能带匹配度不高等,这些问题均会导致器件产生大的开路电压损失。可采用组分工程来降低Br的含量,协同添加剂工程、界面工程、维度工程等策略来改善宽带隙钙钛矿的薄膜质量,从而降低器件的开路电压损失。

(3)中间连接(复合)层的遴选与优化

中间连接层的遴选对于全钙钛矿叠层器件性能的影响至关重要。由于通常采用溶液法制备窄带隙钙钛矿底电池,因此中间连接层需对已制备的各功能层起到完全保护的作用,即有效阻挡底电池各功能层前驱液渗透至已制备的各层中。目前,高效全钙钛矿叠层电池采用的中间连接层多为ITO或超薄金属Au,但是这些材料对近红外光的寄生吸收较多,影响窄带隙钙钛矿对光的充分吸收利用,从而会降低底电池对光电流的贡献。探索高近红外光透过率、溶液法制备兼容的透明电极材料/中间连接层材料是制备高效叠层器件的有效途径。

全钙钛矿叠层太阳能电池在商用化应用之前,还需要解决大面积制备技术以及稳定性问题。钙钛矿器件的稳定性不仅与钙钛矿吸光层自身相关,还与界面层、电极层密切相关。钙钛矿层自身的分解、界面层和电极层的老化均会导致器件性能的衰减。这些问题的解决将全面有效地推动全钙钛矿叠层太阳能电池商业化应用的前进步伐。

李耀文

苏州大学 教授

钙钛矿太阳能电池相比于单晶硅电池的巨大优势是可通过低温溶液印刷方法实现高通量、大尺寸制备。但是,溶液法制备的钙钛矿多晶薄膜及界面层会存在大量缺陷态,不仅会影响电池效率,而且会加速钙钛矿晶格分解,加剧钙钛矿电池的不稳定性。此外,实现高通量制备的一个必要因素是实现电池的柔性化,即在可弯曲透明电极上制备高效率钙钛矿电池,以此来满足卷对卷印刷工艺。针对上述问题,我们认为以下科学问题亟待解决:

1. 如何实现钙钛矿及界面层可控生长?基于小面积器件探索减少溶液法制备过程中溶剂效应导致的薄膜不均一性,钙钛矿薄膜中本征半导体特性的差异性,缺陷态和结晶过程的不可控性。

2. 如何获得高性能柔性透明电极?针对柔性ITO电极的易脆性,导电聚合物电极的高寄生吸收和化学不稳定性,研究低面电阻、高透过率、高稳定性、强耐弯曲性、低界面应力的新型柔性透明电极尤为重要,以此推动高效、稳定的柔性钙钛矿太阳能电池器件发展。

3. 如何实现高效、稳定大面积组件?探索流体动力学、配位化学、结晶动力学与钙钛矿薄膜尺寸化效应之间的关系,明确基于高通量印刷技术的大面积钙钛矿薄膜成膜机理。此外,需要从钙钛矿化学腐蚀性、水和氧的阻隔性,防止铅泄露等方面加速探索适用于钙钛矿电池的封装材料和技术。

总之,除了钙钛矿太阳能电池当前面临的本征稳定性差的共性问题以外,以市场应用为导向,以商业化为出发点,加速探索相关科学问题迫在眉睫;我们也认为,上述问题与有机太阳能电池的发展也存在诸多共性;两类溶液印刷光伏技术有望为人类新能源发展打开新篇章。

袁永波

中南大学 教授

钙钛矿太阳电池认证效率接近单晶硅水平,非常有望走向应用。目前钙钛矿太阳电池还存在寿命不佳、大面积制备良率不高和含铅问题。我们课题组感兴趣的问题是材料及电池稳定性。

1. 离子迁移及缺陷管理。受益于表面钝化,过去几年电池效率得到显著提升。但钙钛矿材料“缺陷容忍性高”主要针对效率而言,虽然浅能级缺陷(如A、X空位和间隙离子)不显著影响效率,但其对材料长期工作稳定性的影响仍有待深入研究。相比于其它光伏材料,钙钛矿存在显著离子迁移,表现为缺陷在电场、光照等条件下的增加和聚集,形成电场屏蔽或掺杂效应。同时离子迁移机制可与其它老化机制通过点缺陷发生协同作用,加速老化过程。进一步理解离子迁移规律、管理缺陷、抑制离子损失对提高电池寿命具有十分重要的意义。

2. 极端条件分析方法。目前已报道多种改善电池效率的结晶控制及钝化技术,如何有效地比较不同技术在改善电池寿命方面的差异,筛选得出最优技术策略需要大量投入。与研究效率相比,寿命研究的反馈周期较长导致研发效率下降。因此亟须探索可有效体现电池本征稳定性的极端条件分析方法,提高筛选效率,加快研发进程。

3. 界面失效机制探索。钙钛矿晶界、钙钛矿/传输层、传输层/电极界面的失效机制与器件长期稳定性密切相关。目前尚缺乏对界面缺陷态、能级结构随工作条件演化的原位表征分析方法,并且由于钙钛矿材料属于软物质,表征过程中易出现非正常分解或自掺杂,针对界面处的老化机制分析存在较大挑战。