钙钛矿电池产业化拉开序幕:效率、稳定性及大面积加工问题研究进展如何?

2023-12-29 09:40:28, 乐研 上海皓鸿生物医药科技有限公司


钙钛矿电池

创新突破

未来可期

钙钛矿太阳能电池,是采用具有钙钛矿晶体结构的有机无机杂化物的金属卤化物半导体作为吸光层材料的电池,属于第三代光伏电池。

作为一种新型功能材料,短短十年时间内,其光电转换效率从最初的3.8%快速提升至25%以上,已经赶上甚至超过传统硅基太阳能电池,其光电器件表现出制备工艺简单、低成本、柔性性能优异、光电性能突出等优势,作为光电明星材料在下一代发光、光伏及探测领域极具应用前景。

图1.钙钛矿通用晶体结构图

钙钛矿电池虽然有诸多优点,但是在迈向产业化的道路上仍然有很多问题需要克服,例如稳定性因素和大面积制备的问题等。其中稳定性的制约因素较多,主要有内在因素(湿度,氧气)、外在因素(光照,偏压,加热等)以及本征不稳定性(离子迁移,晶界应力,金属-钙钛矿反应等)。

针对效率,稳定性,大面积加工,应用/成本等钙钛矿材料发展路上的拦路虎,小编整理总结了几位大佬的科研成果供大家参考。

1.效率:南京大学谭海仁课题组全钙钛矿最高认证效率达28%。

“双碳”目标是我国重大战略决策,而发展清洁低成本的太阳能光伏发电,则是实现这一战略目标的重要途径与技术保障。南京大学谭海仁教授课题组围绕“全钙钛矿叠层太阳能电池”这一国际前沿科学领域开展了系统深入的研究。近期,谭海仁老师团队在全钙钛矿叠层电池领域取得最新进展,经日本电气安全和环境技术实验室(JET)国际权威认证的转换效率高达28.0%,首次超越了传统晶硅电池。

与单结钙钛矿太阳能电池相比,全钙钛矿串联太阳能电池有望实现更高的功率转换效率(PCE),同时保持较低的制造成本。然而,它们的性能在很大程度上仍然受到Pb-Sn混合窄带隙钙钛矿子电池性能不佳的制约,这主要是由于钙钛矿薄膜表面的陷阱密度较高。虽然使用混合2D/3D钙钛矿的异质结可以减少表面复合,但这种常见的策略会导致传输损耗,从而限制器件的填充系数。

图2. 3D/3D双层钙钛矿异质结结构及窄带隙钙钛矿电池光伏性能。a,含有3D/3D双层钙钛矿异质结(PHJ)的窄带隙钙钛矿电池器件结构。b,3D/3D双层钙钛矿异质结的截面HR-STEM图和相应的EDX图。c,PHJ钙钛矿薄膜的飞行时间二次离子质谱图。d,对照器件(control)和PHJ窄带隙钙钛矿电池的光伏性能统计图。e,最佳性能PHJ钙钛矿电池的J-V曲线。DOI: 10.1038/s41586-023-06278-z

基于此,谭海仁教授课题组在Pb-Sn钙钛矿/电子传输层界面开发了一种具有II型能带结构的不混溶3D/3D双层钙钛矿异质结,以抑制界面非辐射复合并促进电荷提取。双层钙钛矿异质结是通过混合蒸发/溶液处理方法在混合Pb-Sn窄带隙钙钛矿顶部沉积一层铅卤化物宽带隙钙钛矿形成的。这种异质结构使我们能够将具有1.2µm 厚吸收层的Pb-Sn钙钛矿太阳能电池的PCE提高到23.8%,同时具有0.873V的高开路电压(Voc)和82.6%的高填充因子。因此,我们证明全钙钛矿串联太阳能电池的PCE达到创纪录的28.5%(认证为28.0%)。在模拟单太阳光照下连续运行600小时后,封装的串联器件仍能保持90%以上的初始性能。

2.稳定性:苏州大学李耀文课题组在高效稳定、环境友好的钙钛矿太阳能电池及组件方面的新进展

近年来,钙钛矿太阳能电池发展迅猛,其认证效率已经突破26.1%。使用非掺杂HTLs是稳定n-i-p pero-SCs的关键。然而,这些HTL材料通常需要使用有毒溶剂氯苯(CB)进行加工,不适合工业生产。而使用绿色溶剂时,由于HTL材料在溶剂中的溶解度有限,导致薄膜形貌不理想,会大幅牺牲器件性能。为了解决这一问题,苏州大学李耀文教授等人通过引入不对称极性低聚乙二醇(OEG)侧链,设计了一种非对称线性有机小分子BDT-C8-3O。

图3.(a)BDT-DC8和BDT-C8-3O的分子结构。(b)BDT-DC8和BDT-C8-3O的薄层色谱实验的Rf值和水接触角测量。(c)汉森空间示意图及利用其来评估溶质和溶剂在三维坐标系中的溶解情况。(d)BDT-DC8和(e)BDT-C8-3O的汉森溶解度参数。DOI:10.1002/anie.202312231

这种方法不仅克服了在绿色溶剂中的溶解度限制,还能将共轭主链以两种模式堆叠,从而进一步提高结晶度和空穴迁移率。因此,基于氯苯或绿色(天然化合物)溶剂3-甲基环己酮加工的BDT-C8-3O HTL 的ni-p钙钛矿太阳能电池不含任何掺杂剂,其功率转换效率分别达到了24.11%(认证值为23.82%)和23.53%,创下了世界纪录。这些器件还表现出卓越的工作稳定性和高温稳定性,在2000小时内分别保持了超过84%和79.5%的初始效率。令人鼓舞的是,不含掺杂剂的BDT-C8-3O HTL 在大面积制造方面具有显著优势,即使在使用绿色溶剂加工时,5×5平方厘米模块(有效面积:15.64平方厘米)的PCE也超过了20%。

3.大面积加工:华中科技大学陈炜课题组——高效率薄膜太阳能组件中刮涂大面积、高质量钙钛矿薄膜所需的溶剂体系

在过去的近十年,金属卤化物钙钛矿太阳能电池(PSCs)取得了显著进展。该类型的薄膜电池一直是近年光伏技术的重点,显示出巨大的商业化潜力。然而,为满足实际应用需求,将小面积PSC过渡到大面积太阳能组件仍然是一个重大挑战。因而简单、可重复的工艺大规模生产高质量钙钛矿薄膜对于解决这个问题至关重要。

图4.DOI:10.1016/j.jechem.2023.02.017

此外,钙钛矿薄膜的溶液加工制备过程中其结晶行为会受到前驱体溶液的物理化学性质的强烈影响,而前驱体溶液物理化学性质受到所用溶剂及其与溶质相互作用的显著影响。因此,全面了解用于大面积制造钙钛矿薄膜的溶剂工程是非常意义重大的。

在本文中,华中科技大学陈炜课题组基于钙钛矿晶体成核、生长机理,首先分析了溶剂工程在大面积钙钛矿薄膜溶液法加工制备中的重要作用,及其对高效率太阳能组件产业化的推动。并基于上述分析,提出了高效太阳能组件中大面积钙钛矿薄膜可扩展制备溶剂体系设计的基本原则和未来发展方向。

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