Advanced Energy Materials: 等离激元局域光热效应提升钙钛矿太阳能电池效率和稳定性

1. 研究背景:

有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池在过去十多年的发展中,光电转换效率已经得到极大地提升,然而钙钛矿材料结构的稳定性问题严重限制了其实际应用。比如,由于钙钛矿薄膜与相连基底的热膨胀系数不匹配,导致在退火过程中薄膜内会形成垂直方向的非均匀应力。这种薄膜制备过程中的残留应力会诱发钙钛矿的有机阳离子和卤化物阴离子在光照时加速迁移,显著缩短钙钛矿太阳能电池器件的工作寿命。因此,探索不同的方案去攻克钙钛矿薄膜的应力现象对延长器件寿命有着至关重要的科学意义与应用价值。

2. 文章概述:

最近,香港城市大学材料科学及工程学系任广禹教授团队与雷党愿副教授团队联合发表了等离激元局域光热现象调控钙钛矿太阳能电池应力以提升效率和稳定性的研究工作。该研究通过在钙钛矿薄膜中引入垂直方向梯度分布的等离激元纳米结构(较厚二氧化硅壳层包覆金纳米棒,近红外共振),在光照状态下有效吸收近红外光子产生光热效应,用以释放钙钛矿薄膜内的非均匀应力,从而提升钙钛矿太阳能电池的稳定性以及光电转换效率。有别传统的等离激元增强太阳能电池效率的方案(通常需要匹配等离激元共振与活性层的吸收谱以增强器件的光学吸收效率),该技术巧妙利用未被钙钛矿吸收的太阳光谱近红外波段进行等离激元局域加热以释放薄膜内的残留应力,进而有效提升等离激元太阳能电池的性能。本工作制备的等离激元钙钛矿太阳能电池器件地光电转换效率达到23%,是已知等离激元增强钙钛矿太阳能电池的最高效率。与此同时,器件在没有封装的状态下,在65±5 °C的氮气环境中连续光照2800小时(1000小时的周期性光照循环)依然可以保有原来84% (90%)的光电转换效率。本工作提供了一种高效且易实现的等离激元光热调节应力策略,可以同时增强钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性,对钙钛矿太阳能电池在真实环境中的应用有着重要参考价值。

3. 图文导读:

图1 二氧化硅壳层包覆金纳米棒(GNR@SiO2)的表征和等离激元光热效应的热力学模拟。a) GNR@SiO2的透射电子显微镜图像和金、硅元素的X-射线能谱图。b) GNR@SiO2的直径和长度的统计分布。c) 合成的GNR@SiO2的紫外-可见光吸收谱。d) GNR@SiO2(紫色曲线)、纯钙钛矿薄膜光谱(蓝色曲线)和掺GNR@SiO2的钙钛矿薄膜(红色曲线)的吸收光谱,与 AM 1.5G 太阳辐射谱(灰色曲线)的对比。e) 钙钛矿薄膜在太阳光照下的热动力学分析。f) 单个二氧化硅壳层包覆金纳米棒在不同光强下光热加热的理论计算。

图2 掺杂GNR@SiO2改善了钙钛矿薄膜的形貌和晶体稳定性。纯钙钛矿薄膜和掺GNR@SiO2的钙钛矿薄膜的a-d) 形貌和 e-f) 晶体结构演变。薄膜是在 PTAA/ITO衬底上制备的。 ^、* 和 # 表示特征分别为黄相 FAPb3、PbI2((001)面)和 ITO((222)面)的衍射峰。样品在连续 1 个太阳光下老化(AM 1.5G 太阳模拟器),老化时间分别为12、24和36小时。

图3 纳米尺度近场红外吸收(Nano-FTIR)探测钙钛矿薄膜稳定性。a-d) 纯钙钛矿薄膜和掺GNR@SiO2的钙钛矿薄膜的红外宽带图像老化前后的比较。插图是相应薄膜的原子力成像图片。e-h) 局域的Nano-FTIR单点红外吸收近场光谱。甲脒(FA+)的特征伸缩振动模式出现在1710 cm–1

图4太阳能电池器件的光电转换效率和稳定性。a) 掺/非掺杂GNR@SiO2的器件的电流密度-电压 (J-V) 特性正向(从1.2 到-0.1 V)和反向(从-0.1到1.2 V)扫描。b) 具有哌嗪单碘盐(PI)表面钝化的掺GNR@SiO2太阳能电池器件的J-V曲线。c-e)掺/非掺杂GNR@SiO2的非封装器件的在老化过程中光电转换效率的演变:c)在氮气手套箱中65 ± 5 °C的连续照明,d) 氮气手套箱中65 ± 5 °C的稳态输出功率跟踪,和e)在氮气手套箱中重复12小时的明暗照明循环。

图5 等离激元光热增强钙钛矿薄膜稳定性的机制。a-b)钙钛矿薄膜中残余应力的定量分析:a)纯钙钛矿薄膜和b)掺GNR@SiO2的钙钛矿薄膜老化前后的对比。所有钙钛矿薄膜都沉积在PTAA/ITO基底上并切成两片并标记相同的形状,其中一片是放置在太阳模拟器下在1个太阳光强度照射下老化36小时。红色和蓝色点标记分别代表膜内200和500 nm深处的应力分析。c) GNR@SiO2局域加热致应变释放机理示意图。d) 瞬态离子电流提取掺杂/非掺杂钙钛矿薄膜中的移动离子浓度在老化前后的变化。e) 对应器件的电容频率响应。低频处的较高电容由高离子电导率引起。所有测量均在室温(298 K)的黑暗条件下进行。

4.结论:

本工作提出了一个全新的利用等离激元微纳结构提升太能能电池稳定性和效率的思路,通过局域光热释放钙钛矿薄膜中的非均匀应力,从而提升器件的性能和寿命。所研究的器件达到了目前等离激元钙钛矿太阳能电池的最高光电转换效率(23.26%)。重要的是,器件分别在65度的氮气环境连续照明2800小时、65度1000小时的稳态输出功率追踪或1000小时的明暗照明循环条件下依然可以保持原有84%、80%和90%的光电转换效率。该工作展示了一个提升等离激元钙钛矿太阳能电池性能和寿命的简单而有效的方法,对实际应用钙钛矿太阳能电池有着重要启发作用。

该研究获得香港城市大学APRC基金(9380086, 9610434)、创新及科技基金(ITS/497/18FP, GHP/021/18SZ)、优配研究金(GRF, 11307621)、协作研究金(CRF, C5037-18G)、广东省基础与应用基础研究重大项目(2019B030302007)、粤港澳光电磁功能材料联合实验室 (2019B121205002)等项目的资助,谨此感谢。

论文信息:

Plasmonic Local Heating Induced Strain Modulation for Enhanced Efficiency and Stability of Perovskite Solar Cells

Fengzhu Li, Tsz Wing Lo, Xiang Deng, Siqi Li, Yulong Fan, Francis R. Lin, Yuanhang Cheng, Zonglong Zhu, Dangyuan Lei,* and Alex K.-Y. Jen*

Advanced Energy Materials

DOI: 10.1002/aenm.202200186

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.202200186