科學(xué)通報 | 全濕法工藝下的可印刷介觀鈣鈦礦太陽能電池新突破

鈣鈦礦太陽能電池指的是以金屬鹵化物鈣鈦礦做吸光材料的光伏技術(shù). 得益于鹵化物鈣鈦礦可簡單濕法加工的特性, 近年來, 鈣鈦礦太陽能電池以其驚人的發(fā)展速度和巨大的應(yīng)用潛力吸引了全球科學(xué)家的目光 [ 1 , 2 ] . 與傳統(tǒng)的硅基太陽能電池等相比, 鈣鈦礦材料不僅制造成本更低, 還具備可柔性制備、弱光發(fā)電能力強(qiáng)等獨(dú)特優(yōu)勢 [3] . 其中, 一種由三層介孔膜結(jié)構(gòu)組成、被稱為“可印刷介觀鈣鈦礦太陽能電池”(簡稱p-MPSCs)的獨(dú)特技術(shù)尤為引人注目 [ 4 , 5 ] . p-MPSCs由廉價的工業(yè)原材料構(gòu)成, 可以通過簡單的印刷技術(shù)在大氣環(huán)境中大規(guī)模生產(chǎn), 就像印刷報紙一樣, 完全避免了其他光伏制造所需的高真空、高溫等復(fù)雜耗能環(huán)節(jié), 有利于光伏組件的低成本制造 [ 6 ~ 9 ] .

盡管p-MPSCs在成本和制備工藝上具有明顯優(yōu)勢, 但其性能與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的薄膜型鈣鈦礦電池仍然有一定差距. 問題的根源恰好也與其獨(dú)特的多孔結(jié)構(gòu)有關(guān): 鈣鈦礦材料填充在由二氧化鈦、氧化鋯和碳電極組成的三層多孔骨架中, 這種結(jié)構(gòu)雖然有利于大規(guī)模制備, 卻導(dǎo)致鈣鈦礦晶體在生長過程中產(chǎn)生了大量的晶界等缺陷 [ 10 ~ 12 ] . 這些缺陷處往往堆積著過量的有機(jī)組分或欠配位的鉛離子, 形成能量無序區(qū), 不僅可能捕獲電荷, 還會對電荷的傳輸造成散射, 嚴(yán)重影響了電池的性能表現(xiàn). 這就像是在一條本應(yīng)暢通的道路上出現(xiàn)了很多坑洼, 使得車輛無法快速通行. 特別是空穴在向碳電極傳輸?shù)倪^程中, 需要穿越長達(dá) 3?μm 以上的路徑, 途中要經(jīng)過多個晶界和界面障礙, 其傳輸受到的影響更為顯著 [ 13 , 14 ] .

面對這一挑戰(zhàn), 本課題組獨(dú)辟蹊徑, 開發(fā)出一種簡單而高效的“親電反應(yīng)后處理”策略 [15] . 通過使用“六亞甲基二異氰酸酯”(HDI)的化合物作為處理劑, 對已經(jīng)制備好的p-MPSCs進(jìn)行后處理, 就像是給電池進(jìn)行了一次精密的“拋光護(hù)理”. HDI分子含有兩個高活性的異氰酸酯基團(tuán), 這些基團(tuán)就像是一雙靈巧的“分子手”, 能夠精準(zhǔn)地找到鈣鈦礦晶界處過量的有機(jī)組分并與之發(fā)生反應(yīng). 通過親電反應(yīng), HDI“修剪”掉晶界處多余的組織, 生成穩(wěn)定的酰胺產(chǎn)物. 與此同時, 這些產(chǎn)物中的特定基團(tuán)又能與鈣鈦礦組分發(fā)生良性相互作用, 鈍化晶界缺陷, 進(jìn)一步提升了“拋光”的效果.

為了評估這一過程對鈣鈦礦性能的影響, 進(jìn)行了多方位表征. Kelvin 探針力顯微鏡顯示, 經(jīng)過HDI處理后, 鈣鈦礦薄膜表面的電勢分布變得更加均勻, 波動從 0.3?V 顯著降低到 0.1?V. 結(jié)果表明后處理技術(shù)重構(gòu)了鈣鈦礦晶界, 減少了能量無序區(qū). 導(dǎo)電原子力顯微鏡進(jìn)一步表明, 處理后的晶界導(dǎo)電性大幅提升, 已經(jīng)與晶體內(nèi)部區(qū)域相當(dāng). 與此同時, 鈣鈦礦中的空穴遷移能力也提升了4倍, 有利于空穴向碳電極的傳輸. 這些結(jié)果清楚地表明, HDI處理確實實現(xiàn)了對電池內(nèi)部的一次精細(xì)拋光, 減少了電荷傳輸?shù)缆飞系恼系K. 另一方面, 后處理也有效鈍化了鈣鈦礦中的缺陷, 抑制了非輻射復(fù)合.

經(jīng)過這種有效的后處理, p-MPSCs性能得到了顯著提升. 實驗室小面積p-MPSCs的效率從21.1%提高到23.2%, 尤其是開路電壓從 1045?mV 提升到 1108?mV, 填充因子從80%提高到83%. 這些提升直接反映了電池內(nèi)部缺陷的減少和電荷傳輸?shù)母纳? 與此同時, 本工作制備了由21個子電池串聯(lián)而成的 57.3?cm2 的微型模組, 經(jīng)過HDI處理后效率達(dá)到19.4%, 顯示出了該技術(shù)良好的放大潛力. 穩(wěn)定性是太陽能電池產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵指標(biāo). 將封裝后的p-MPSCs在55±5℃條件下連續(xù)運(yùn)行 900?h 后, p-MPSCs仍然保持95%的初始效率, 表現(xiàn)出了良好的工作穩(wěn)定性.

這項研究的意義不僅在于實現(xiàn)了一種提升p-MPSCs性能的有效策略, 更重要的是提供了一條通向產(chǎn)業(yè)化的可行路徑. HDI后處理方法完全兼容現(xiàn)有的印刷工藝, 不需要復(fù)雜昂貴的設(shè)備, 為鈣鈦礦光伏的大規(guī)模生產(chǎn)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐. 隨著全球能源轉(zhuǎn)型加速, 太陽能發(fā)電占比逐年提升, 開發(fā)低成本、高效率、高穩(wěn)定性的光伏技術(shù)對實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)具有重要意義. p-MPSCs以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和制備工藝, 有望改變?nèi)藗儗夥a(chǎn)業(yè)復(fù)雜且耗能的傳統(tǒng)認(rèn)知, 推動光伏技術(shù)的進(jìn)一步普及. 或許在不久的將來, 我們就能看到基于p-MPSCs技術(shù)的太陽能電池廣泛應(yīng)用于光伏電站、建筑一體化光伏、車載光伏等領(lǐng)域, 為我們的生活帶來更多清潔能源.

研究人員將繼續(xù)推進(jìn)該研究方向, 實現(xiàn)器件中更有效的空穴輸運(yùn), 推動器件性能的進(jìn)一步突破, 為該低成本光伏技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供更多技術(shù)支撐.

圖1 器件結(jié)構(gòu)、后處理機(jī)制及性能表征. (a) p-MPSCs結(jié)構(gòu)示意圖. (b) HDI后處理作用機(jī)制示意圖. (c) 對照組與HDI鈣鈦礦薄膜表面電位分布圖. (d) 對照組與HDI鈣鈦礦薄膜表面電位分布統(tǒng)計圖. (e) 對照組與HDI鈣鈦礦薄膜的導(dǎo)電AFM圖像. (f) 基于叉指電極的電導(dǎo)率-光生載流子數(shù)及相應(yīng)空穴遷移率. (g) 基于叉指電極的對照組與HDI鈣鈦礦薄膜的 I-V 曲線. (h) 對照組與HDI處理的p-MPSC的 J-V 曲線. (i) p-MPSC微型模組的 I-V 曲線及其照片. (j) HDI處理的p-MPSC的工作穩(wěn)定性

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