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用戶前沿丨Science！二維界面穩(wěn)定全無機(jī)鈣鈦礦太陽能電池
第一作者：Xiaoming Zhao
通訊作者：Yueh-Lin Loo
通訊單位：普林斯頓大學(xué)
研究亮點(diǎn)：
1. 摒棄具有揮發(fā)性的有機(jī)組分，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高效的全無機(jī)鈣鈦礦太陽能電池。
2. 加入2D Cs2PbI2Cl2覆蓋層穩(wěn)定界面。
3. 恒定光照下高溫（35oC-110oC）量化鈣鈦礦太陽能電池的加速降解。
4. 全無機(jī)PSC的光電轉(zhuǎn)換效率從14.9%提高到17.4%。
一、PSC商業(yè)化生產(chǎn)亟待解決的穩(wěn)定性問題
雖然金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池（PSC）的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）現(xiàn)在可以超過25%，但在其商業(yè)化之前，必須解決長(zhǎng)期運(yùn)行不穩(wěn)定的問題。目前報(bào)道的最穩(wěn)定且高效的PSC在連續(xù)光照條件下，T80壽命（PCE下降到初始值的80%）僅為數(shù)百或數(shù)千小時(shí)，而大多數(shù)商業(yè)應(yīng)用所需的壽命超過20年。盡管近期有研究報(bào)告，獲得了PSC的T80壽命超過一年，但其PCE相對(duì)較低（<13%）。加速老化實(shí)驗(yàn)有助于快速檢驗(yàn)PSC的穩(wěn)定性，規(guī)律地“外加壓力“的加速老化實(shí)驗(yàn)可以量化壽命加速系數(shù)（AF），該系數(shù)將在標(biāo)準(zhǔn)操作條件下的壽命與外加溫度和光照條件下的壽命聯(lián)系起來。雖然，基于AFs的外加高溫和高強(qiáng)度光照的條件下測(cè)試，已開發(fā)用于有機(jī)和硅基光伏器件，但是鑒于PSC對(duì)溫度、光和電偏壓的復(fù)雜敏感性，為PSC開發(fā)適合的AFs仍具有挑戰(zhàn)性。
二、成果簡(jiǎn)介
有鑒于此，普林斯頓大學(xué)Yueh-Lin Loo團(tuán)隊(duì)為了探索鈣鈦礦型太陽能電池（PSC）的降解途徑并提高其穩(wěn)定性，進(jìn)行了規(guī)律性的加速老化試驗(yàn)。在35oC至110oC的溫度下，在最大功率點(diǎn)（MPP）的恒定光照下，來量化封裝的CsPbI3體系PSC的熱加速降解。作者在鈣鈦礦活性層和空穴傳輸層（HTL）之間加入2D Cs2PbI2Cl2覆蓋層，該2D層穩(wěn)定了鈣鈦礦/HTL界面，并抑制了離子向HTL的遷移，使降解速度大大減慢，同時(shí)將全無機(jī)PSC的功率轉(zhuǎn)換效率從14.9%提高到17.4%。具有該2D層的器件在35oC下不會(huì)降解，并且需要在恒定光照下110oC時(shí)，T80壽命>2100小時(shí)。研究發(fā)現(xiàn)器件的PCE降解速率遵循阿倫尼烏斯（Arrhenius）溫度依賴性，根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出的降解加速因子預(yù)測(cè)在35℃下連續(xù)運(yùn)行的長(zhǎng)期壽命為51000±7000小時(shí)（>5年）。
三、結(jié)果與討論
要點(diǎn)1：摒棄了具有揮發(fā)性的有機(jī)組分，制備了全無機(jī)結(jié)構(gòu)的PSC
目前，最高效的PSC是基于混合有機(jī)-無機(jī)鈣鈦礦體系，其中含有揮發(fā)性有機(jī)陽離子，如甲基銨（MA+）和甲脒（FA+）。盡管無機(jī)鈣鈦礦太陽能電池的效率略低，但為了最大限度地提高太陽能電池的熱穩(wěn)定性和光穩(wěn)定性，作者選用無機(jī)CsPbI3鈣鈦礦作為光吸收材料。無機(jī)CsPbI3PSC的器件結(jié)構(gòu)如圖1A所示，在CsPbI3吸光層與CuSCN空穴傳輸層之間覆蓋和不覆蓋2D Cs2PbI2Cl2層。并且，為了進(jìn)一步提高器件的熱穩(wěn)定性和光穩(wěn)定性，采用了包括TiO2、Al2O3和CuSCN傳輸層以及氟化氧化錫（FTO）和Cr/Au電極的全無機(jī)結(jié)構(gòu)。圖1B和C展示了具有代表性器件的光伏性能。通過引入CsCl形成了覆蓋2D層的PSC改善了填充因子（FF）和開路電壓（VOC），使PCE達(dá)到17.4%，而無2D層的PSC為14.9%。文中所示的器件結(jié)構(gòu)中的所有功能層都是無機(jī)材料，獲得的器件效率是全無機(jī)PSC中最高的。
圖1 器件結(jié)構(gòu)示意圖和光伏特性
要點(diǎn)2：制定加速老化量化標(biāo)準(zhǔn)
研究者們通過觀察PCE降解速率有明顯的溫度依賴性。這一發(fā)現(xiàn)表明，同樣的降解機(jī)制主導(dǎo)了整個(gè)溫度范圍，這是可靠加速老化測(cè)試的重要標(biāo)準(zhǔn)。又觀察到與每個(gè)類型的PSC的快速和慢速降解相關(guān)的活化能是相當(dāng)?shù)模@表明兩種降解速率探測(cè)單一的物理過程。為了在標(biāo)準(zhǔn)操作條件下的降解速率kref從高溫加速降解速率 kacc 中提取有意義的降解速率，研究者們定義了AF：其中Tacc和Tref是加速和標(biāo)準(zhǔn)操作條件下老化期間的工作溫度（定義為1個(gè)太陽強(qiáng)度，35°C）。基于AF計(jì)算，可以通過將老化時(shí)間乘以加速度因子來定義在高溫下老化的設(shè)備在Tref = 35°C的等效運(yùn)行時(shí)間。當(dāng)以這種方式處理時(shí)，所有數(shù)據(jù)都可以延伸成為覆蓋和未覆蓋太陽能電池的通用曲線上，這進(jìn)一步證實(shí)了相同的機(jī)制，盡管在老化會(huì)在高溫下加速，但整個(gè)溫度范圍內(nèi)都會(huì)導(dǎo)致降解。
圖2 高溫工作下的PSC加速老化
要點(diǎn)3：全鈣鈦礦疊層電池的性能和穩(wěn)定性
為了研究PSC退化的原因，研究者在110°C連續(xù)光照條件下對(duì)全器件進(jìn)行老化處理，然后剝離頂電極，并用 X 射線衍射(XRD)表征了鈣鈦礦的結(jié)構(gòu)。發(fā)現(xiàn)在2000小時(shí)老化后，2θ?= 16.159處的反射在未封蓋的PSC的XRD中對(duì)應(yīng)于 CuSCN 的(003)反射強(qiáng)度變低，半峰寬增大，這表明 CuSCN 晶體尺寸減少。相應(yīng)地，在老化的HTL表面的 XPS 光譜中，I 3d信號(hào)顯著增加，而在二維Cs2PbI2Cl2封蓋的PSC下HTL表面的XPS光譜中未檢測(cè)出I 3d信號(hào)。這些結(jié)果表明，在相同的持續(xù)時(shí)間后，封蓋的PSC中CuSCN的膜結(jié)構(gòu)和形態(tài)沒有顯示出明顯的變化，具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性。最后通過溫度相關(guān)電導(dǎo)率，對(duì)鈣鈦礦薄膜中離子遷移計(jì)算得出二維封蓋阻礙了離子遷移。抑制離子遷移可能源于鈣鈦礦活性層表面的碘空位鈍化，存在二維覆蓋層中。
圖3 PSC降解/穩(wěn)定機(jī)制
五、小結(jié)
綜上所述，作者采用全無機(jī)結(jié)構(gòu)（各功能層均為無機(jī)材料），避免了熱穩(wěn)定性差的有機(jī)組分對(duì)器件穩(wěn)定性的影響。作者研究了在恒定光照35oC至110oC下，熱加速封裝的CsPbI3 PSC的降解，發(fā)現(xiàn)引入2D層的器件在110°C下T80壽命>2100小時(shí)。并且，通過實(shí)驗(yàn)與計(jì)算，提出了加速鈣鈦礦降解的一種量化標(biāo)準(zhǔn)，器件PCE降解速率遵循Arrhenius溫度依賴關(guān)系，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的AF為24.2±3.5，預(yù)測(cè)其在35℃下對(duì)應(yīng)的T80壽命為5.1±0.7×104小時(shí)，即器件可以連續(xù)運(yùn)行5年以上。該研究進(jìn)一步推動(dòng)鈣鈦礦朝著商業(yè)化的方向的進(jìn)程。
六、參考文獻(xiàn)
X. Zhao et al. Accelerated aging of all-inorganic, interface-stabilized perovskite solar cells. Science (2022)
DOI: 10.1126/science.abn5679.
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn5679
儀器推薦
在本文中普林斯頓大學(xué)Yueh-Lin Loo團(tuán)隊(duì)利用愛丁堡FLS980對(duì)全無機(jī)鈣鈦礦太陽能電池進(jìn)行系統(tǒng)性的研究。愛丁堡FLS980對(duì)材料提供瞬態(tài)光譜測(cè)試數(shù)據(jù)，完成對(duì)全無機(jī)鈣鈦礦太陽能電池性質(zhì)的表征，利用便捷的軟件處理相關(guān)瞬態(tài)光譜數(shù)據(jù)，最后歡迎各位老師垂詢愛丁堡最新款科研級(jí)穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)熒光光譜儀FLS1000。
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