中國(guó)科大胡芹團(tuán)隊(duì)梯度鍺摻雜高效同質(zhì)結(jié)錫基鈣鈦礦太陽(yáng)能電池突破

發(fā)表時(shí)間：2024/5/24 14:03:24

-本研究相關(guān)參數(shù)圖表，整理至文末處-

摘要

錫基鈣鈦礦太陽(yáng)能電池 (PSCs) 作為一種具有巨大潛力的無(wú)鉛光伏技術(shù)，其發(fā)展受到 p 型自摻雜、高缺陷密度和非輻射複合等因素的限制。近期，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微電子學(xué)院胡芹特任研究員團(tuán)隊(duì)在《納米快報(bào)》上發(fā)表了一項(xiàng)重要研究成果，他們通過梯度鍺摻雜構(gòu)建了錫基鈣鈦礦同質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，有效抑制了自摻雜效應(yīng)，并大幅提升了器件的效率和穩(wěn)定性，為錫基 PSCs 的發(fā)展開闢了新的道路。

光焱科技設(shè)備的應(yīng)用

該研究使用了光焱科技 (Enlitech) 的 QE-R_PV/太陽(yáng)能電池量子效率測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行器件的 EQE 光譜測(cè)量，并獲得了 IPCE (入射光子-電子轉(zhuǎn)換效率) 數(shù)據(jù)。 QE-R 系統(tǒng)具有以下特色優(yōu)勢(shì)：

l 適用于各種太陽(yáng)能電池測(cè)試: QE-R 系統(tǒng)不僅適用于單結(jié)太陽(yáng)能電池測(cè)試，還適用于串聯(lián)太陽(yáng)能電池測(cè)試，包括鈣鈦礦太陽(yáng)能電池、有機(jī)太陽(yáng)能電池、硅異質(zhì)結(jié) (HJT) 電池、TOP-Con 電池、銅銦鎵硒 (CIGS) 電池等多種類型的電池。

l 寬波長(zhǎng)范圍: QE-R 系統(tǒng)提供 3001800 nm、300~2500 nm 或客製化的波長(zhǎng)范圍，滿足不同材料和器件的測(cè)試需求。

l 提供多種數(shù)據(jù): QE-R 系統(tǒng)能夠提供 QE（量子效率）、PV-EQE（外部量子效率）、IPCE（入射光子-電子轉(zhuǎn)換效率）、SR（光譜響應(yīng)）、IQE（內(nèi)部量子效率）、反射率等多種數(shù)據(jù)，為研究提供全面的信息。

l 高重複性: QE-R 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，重復(fù)性高，超過 99.5%，確保了測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性。

l 符合多種標(biāo)準(zhǔn): QE-R 系統(tǒng)符合 ATSM E 1021-15, ASTM E948, IEC 60904-8, IEC 60904-7, IEC 60904-1 等多種標(biāo)準(zhǔn)，確保了測(cè)量的規(guī)范性和可比性。

研究背景與核心概念

p 型自摻雜是阻礙錫基鈣鈦礦發(fā)展高性能太陽(yáng)能電池的主要因素之一，它會(huì)增加背景電流密度，并加劇載流子復(fù)合過程。該研究提出了一種基于梯度鍺摻雜的同質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在鈣鈦礦薄膜內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)建電場(chǎng)，有效地耗盡了電荷載流子，從而降低了暗電流密度和陷阱密度。

研究方法與主要發(fā)現(xiàn)

研究團(tuán)隊(duì)利用多種先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備對(duì)鈣鈦礦薄膜和器件進(jìn)行了深入分析，包括：

密度泛函理論 (DFT) 計(jì)算: 研究人員利用 DFT 計(jì)算揭示了同質(zhì)結(jié)的形成機(jī)制，并分析了鍺摻雜對(duì)鈣鈦礦薄膜能級(jí)結(jié)構(gòu)的影響。

X 射線光電子能譜 (XPS): XPS 用于分析鈣鈦礦薄膜中鍺元素的分布和化學(xué)狀態(tài)，驗(yàn)證了梯度摻雜的形成。

開爾文探針力顯微鏡 (KPFM): KPFM 用于測(cè)量鈣鈦礦薄膜的表面電勢(shì)，證實(shí)了同質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的形成。

紫外光電子能譜 (UPS): UPS 用于分析鈣鈦礦薄膜的能級(jí)結(jié)構(gòu)，研究了鍺摻雜對(duì)能級(jí)的影響。

X 射線衍射 (XRD): XRD 用于分析鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶度和晶體結(jié)構(gòu)，研究了鍺摻雜對(duì)晶格的影響。

光致發(fā)光 (PL) 光譜和瞬態(tài)光致發(fā)光 (TRPL): PL 光譜和 TRPL 用于研究鈣鈦礦薄膜的激發(fā)態(tài)動(dòng)力學(xué)和非輻射復(fù)合過程。

電流-電壓 (J-V) 特性測(cè)試: 研究人員利用 J-V 特性測(cè)試評(píng)估了 PSCs 的光電轉(zhuǎn)換效率和其他關(guān)鍵參數(shù)。

研究發(fā)現(xiàn)，梯度鍺摻雜構(gòu)建的同質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)有效地降低了錫基鈣鈦礦薄膜的暗電流密度兩個(gè)數(shù)量級(jí)，并將陷阱密度降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)。基于該結(jié)構(gòu)的錫基 PSCs，其功率轉(zhuǎn)換效率 (PCE) 達(dá)到了 13.3%，并展現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性，在連續(xù)光照 250 分鐘后仍能保持 95% 的初始效率，在儲(chǔ)存 3800 小時(shí)后仍能保持 85% 的初始效率。

研究結(jié)果與討論
研究結(jié)果表明，氟化可以降低 Spiro-OMeTAD 的 HOMO 和 LUMO 能級(jí)，并拓寬其光學(xué)帶隙，有利于提高器件的開路電壓 (Voc) 和短路電流密度 (Jsc)。此外，氟化還能增強(qiáng) HTM 的疏水性，提高器件的耐濕性。

基于 Spiro-mF 的 PSCs 實(shí)現(xiàn)了 24.82% 的高效率 (認(rèn)證效率 24.64%)，電壓損失僅為 0.3 V，是目前報(bào)道的 PSCs 中低的電壓損失。這表明 Spiro-mF 能夠有效地提取空穴并抑制非輻射復(fù)合。

此外，Spiro-mF 基器件還展現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。在 50% 相對(duì)濕度環(huán)境下，未封裝的 Spiro-mF 基器件在 500 小時(shí)后仍能保持 87% 的初始效率，而 Spiro-OMeTAD 基器件的效率則下降到 60%。

分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果表明，Spiro-mF 比 Spiro-oF 和 Spiro-OMeTAD 更容易吸附在鈣鈦礦表面，并且其芴單元更容易與鈣鈦礦表面接觸。Spiro-mF 在鈣鈦礦表面形成層狀堆積結(jié)構(gòu)，空穴傳輸積分更高，更有利于空穴傳輸。

結(jié)論與展望

該研究通過梯度鍺摻雜成功地構(gòu)建了高效穩(wěn)定的錫基鈣鈦礦同質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池，為錫基 PSCs 的發(fā)展提供了新的策略。這項(xiàng)研究不僅揭示了同質(zhì)結(jié)形成的微觀機(jī)制，也為設(shè)計(jì)新型無(wú)鉛鈣鈦礦光電器件提供了新的思路。未來(lái)，研究人員可以進(jìn)一步探索其他摻雜元素和同質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，開發(fā)出更高效、更穩(wěn)定、更環(huán)保的無(wú)鉛 PSCs，為可再生能源的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

本文參數(shù)圖: