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中國科學(xué)家通過狹縫模頭涂層技術(shù)制造出效率高達 20.3% 的微型倒置鈣鈦礦太陽能電池

2025-03-09 09:35  瀏覽:  

由中國電子科技大學(xué) (UESTC) 領(lǐng)導(dǎo)的國際研究團隊在基于甲脒碘化物 (FAI) 的倒置鈣鈦礦太陽能電池中使用吡二唑 (PZ) 添加劑,提高了鈣鈦礦薄膜的穩(wěn)定性,從而能夠在空氣中進行狹縫涂層。

倒置鈣鈦礦太陽能電池具有一種稱為“ pin ”的器件結(jié)構(gòu),其中空穴選擇性接觸p位于本征鈣鈦礦層i的底部,電子傳輸層n位于頂部。傳統(tǒng)的鹵化物鈣鈦礦電池具有相同的結(jié)構(gòu),但方向相反——即“ nip ”布局。在nip架構(gòu)中,太陽能電池通過電子傳輸層(ETL)側(cè)照明;在pin結(jié)構(gòu)中,太陽能電池通過HTL表面照明。

碘化鉛 (PbI2) 和碘化甲脒 (FAI) 均受益于 PZ 固定化策略,從而為電池形成“高質(zhì)量”鈣鈦礦薄膜。該研究小組解釋說:“由路易斯酸堿對 (PZ-PbI2) 和氫鍵 (PZ-FAI) 的形成所驅(qū)動的固定化效應(yīng)不僅改善了鈣鈦礦前體溶液中膠體尺寸分布的均勻性,而且還通過抑制膠體團聚增強了濕膜的穩(wěn)定性。”

電池堆棧如下:透明氟摻雜氧化錫(FTO)涂層玻璃基板、濺射氧化鎳(II)(NiOx)薄膜、甲基取代咔唑(Me-4PACz)層、鈣鈦礦、巴克明斯特富勒烯(C60)電子傳輸層(ETL)、浴銅靈(BCP)緩沖層、銅(Cu)觸點。

在空氣中用刮刀涂布法將Me-4PACZ薄膜涂覆在NiOx薄膜表面。“之后,將配制好的含有不同濃度添加劑的鈣鈦礦前驅(qū)體溶液,通過狹縫模頭涂布技術(shù),在空氣中沉積。”該團隊表示。

實時表征顯示,“這種方法不僅可以延緩晶體生長過程,還可以確保鈣鈦礦薄膜上下層之間的結(jié)晶速率一致,”研究人員解釋道。該過程有助于形成具有“極佳均勻性”的大型單片晶粒。

基于這種方法,最終的迷你模塊實現(xiàn)了 21.5% 的最大效率和 20.3% 的認證效率,在孔徑面積超過 50 cm2 的迷你倒置鈣鈦礦太陽能電池模塊中位列最高認證效率之列。

該結(jié)果得到了中國國家計量測試技術(shù)研究院的確認。研究還發(fā)現(xiàn),在相對濕度為 65% 的空氣中連續(xù)光照老化 1000 小時后,倒置鈣鈦礦太陽能電池板仍能保持 94% 的初始效率。“我們的方法通過抑制膠體聚集、延緩晶體生長來增強濕膜穩(wěn)定性,從而確保整個薄膜的生長率一致,”科學(xué)家說。

實驗中的倒置鈣鈦礦太陽能電池微型模塊尺寸為 10 厘米 × 10 厘米。每個模塊都有 11 個串聯(lián)電池。研究人員表示,值得注意的是,串聯(lián)模塊的 P1、P2 和 P3 劃線,其中 P1 和 P3 劃分模塊子電池,P2 連接子電池。

進一步的測試表明,在孔徑面積為 56.5 cm2 的模塊中,PZ 將模塊效率從 18.2% 提高到了 21.5%,而 PZ-I 和 PZ-II 的效果要么可以忽略不計(17.9%),要么效率有所降低(17.0%)。

研究細節(jié)發(fā)表在《自然通訊》最近發(fā)表的論文《通過固定策略可擴展制備具有均質(zhì)結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦薄膜用于高性能太陽能電池組件》中。研究人員來自中國電子科技大學(xué) (UESTC)、廣州大學(xué)、中國計量大學(xué)和法國巴黎化學(xué)研究所 (IRCP)。

李教授在談到研究團隊的未來方向時表示:“我們將專注于優(yōu)化大面積鈣鈦礦-硅串聯(lián)太陽能電池的效率和穩(wěn)定性。”

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