高效率Pb-Sn鈣鈦礦太陽(yáng)能電池研究

導(dǎo)讀

多巴胺離子是一種強(qiáng)還原性材料，可將鈣鈦礦中的Sn4+還原為Sn2+。同時(shí)，多巴胺陽(yáng)離子作為一種胺基陽(yáng)離子，可生成二維鈣鈦礦相，形成2D/3D異質(zhì)結(jié)。該異質(zhì)結(jié)引起能帶彎曲，更有利于載流子的提取。二維鈣鈦礦在薄膜表面的鈍化作用也減少了非輻射復(fù)合，提升了載流子壽命?；诖?，該研究制備的Pb-Sn窄帶隙鈣鈦礦電池效率最高可達(dá)22.31%。與此同時(shí)，得益于還原性二維鈣鈦礦的保護(hù)作用，未封裝器件在氮?dú)猸h(huán)境連續(xù)工作1000小時(shí)仍能保持初始效率的86%。

Part.1

研究背景

Pb-Sn鈣鈦礦是全鈣鈦礦疊層太陽(yáng)能電池的重要組成部分，其禁帶寬度可低至1.24 eV。然而，由于組分中的Sn2+極易被氧化，制備高效穩(wěn)定的Pb-Sn鈣鈦礦電池仍然是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)的工作，這對(duì)進(jìn)一步提高鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSC）效率形成了制約。目前，在鈣鈦礦中添加抗氧化劑以及還原劑是調(diào)控Sn4+濃度、抑制Sn2+氧化的有效策略。此外，在鈣鈦礦中引入大尺寸有機(jī)陽(yáng)離子形成二維(2D)鈣鈦礦覆蓋層是鈣鈦礦研究中的熱點(diǎn)方向，利用二維鈣鈦礦材料對(duì)水汽的優(yōu)秀抵抗能力提升鈣鈦礦的穩(wěn)定性。

Part.2

圖文解析

多巴胺陽(yáng)離子（DAH+）可將SnI2溶液中的Sn4+還原成Sn2+，溶液顏色從紅棕色恢復(fù)為黃色，同時(shí)能夠防止Sn2+的氧化（圖1a）。XPS測(cè)試結(jié)果表明，DAH+可以顯著降低SnI2薄膜以及Pb-Sn鈣鈦礦薄膜中Sn4+的濃度（圖1b，c），說(shuō)明其對(duì)Sn4+具有良好的還原作用。使用1H NMR測(cè)試發(fā)現(xiàn)，DAH+和SnI4作用，DAH+被H2O2氧化后再和SnI4作用，兩個(gè)過(guò)程具有相似的峰位移動(dòng)，說(shuō)明DAH+和SnI4之間先發(fā)生氧化還原反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物可進(jìn)一步進(jìn)行配位作用。

使用后處理的方式將DAH+引入到鈣鈦礦薄膜表面，電池的效率從18.81%提升到22.31%。電池效率的提升主要來(lái)自開(kāi)路電壓和填充因子的提升（圖2a,b）。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)也表明使用DAH+之后,電池效率顯著提升（圖2c）,在60 s時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定輸出（圖2d），長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)域量子效率明顯提升（圖2e）,暗電流降低（圖2f）。因此，DAH+可以顯著提升Pb-Sn鈣鈦礦電池的電學(xué)性質(zhì)。為了探究性能提升的機(jī)理，接下來(lái)對(duì)DAH+處理前后鈣鈦礦形貌和光電性質(zhì)進(jìn)行了表征。

DAH+分子一端是強(qiáng)還原性的酚羥基，一端是胺基陽(yáng)離子，可以在鈣鈦礦表面形成二維鈣鈦礦（圖3a）,形成2D/3D結(jié)構(gòu)。SEM測(cè)試表明DAH+處理后在晶界處生成新的物質(zhì)。PL測(cè)試表明，DAH+處理之后，除了在1000 nm處有三維鈣鈦礦的發(fā)光峰，在520 nm左右出現(xiàn)二維鈣鈦礦的發(fā)光峰（圖3f）。TEM測(cè)試發(fā)現(xiàn)添加 DAH+之后出現(xiàn)二維鈣鈦礦的信號(hào)。PL和TEM測(cè)試證實(shí)DAH+在鈣鈦礦表面形成二維鈣鈦礦。KPFM測(cè)試表明，DAH+處理之后，晶界和晶面處的功函數(shù)存在差異，有利于減少載流子在晶界處的復(fù)合。

對(duì)DAH+處理之后的鈣鈦礦薄膜進(jìn)行UPS表征，并計(jì)算其能帶圖，可以看出價(jià)帶和導(dǎo)帶都向下偏移，有利于載流子的提?。▓D4a）。瞬態(tài)光電流曲線表明器件載流子提取能力增強(qiáng)（圖4b）。瞬態(tài)光電壓以及Voc對(duì)光強(qiáng)依賴曲線表明載流子壽命增強(qiáng)、非輻射復(fù)合被抑制（圖4c,d）?？臻g限制電荷曲線表明缺陷態(tài)密度降低，DAH+形成的還原性二維鈣鈦礦能夠有效鈍化表面缺陷(圖4e)。此外，M-S測(cè)試表明器件內(nèi)建電壓提升，這和器件的Voc提升相對(duì)應(yīng)。

還原性二維鈣鈦礦鈍化層可以有效隔絕氧氣，減少氧氣對(duì)鈣鈦礦薄膜的破壞（圖5a）。將DAH+處理前后的鈣鈦礦薄膜置于空氣環(huán)境，測(cè)試其PL強(qiáng)度隨時(shí)間變化，可以明顯看到DAH+能夠減緩鈣鈦礦薄膜性能的衰減（圖5b）。在空氣環(huán)境和氮?dú)猸h(huán)境進(jìn)行穩(wěn)定性測(cè)試，都表明還原性二維鈣鈦礦能夠有效提升鈣鈦礦電池的穩(wěn)定性。

Part.3

亮點(diǎn)總結(jié)

1. 多巴胺陽(yáng)離子具有強(qiáng)還原性，可將Pb-Sn鈣鈦礦中的Sn4+還原為Sn2+，減少因?yàn)檠趸斐傻娜毕荨?/p>

2. 多巴胺陽(yáng)離子在鈣鈦礦表面形成2D鈣鈦礦相，有效鈍化了缺陷，提升了載流子壽命；2D/3D異質(zhì)結(jié)形成的能帶彎曲有利于載流子的提取。

3. 基于還原性二維鈣鈦礦鈍化層的Pb-Sn鈣鈦礦電池獲得了22.31%的能量轉(zhuǎn)換效率；得益于二維鈣鈦礦的保護(hù)作用，器件在空氣或者氮?dú)猸h(huán)境下的穩(wěn)定性都顯著提升。

消息來(lái)源：西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院

審核編輯：湯梓紅