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城大Alex Jen:雙層界面助力鈣鈦礦組件PCE突破25%

更新時間:2024-09-24      點(diǎn)擊次數(shù):485

來自香港城市大學(xué)的Prof. Alex Jen研究團(tuán)隊共同完成了一項研究:一種雙層界面工程技術(shù),旨在提升倒置型鈣鈦礦太陽能組件的性能和穩(wěn)定性。Prof. Alex Jen通過結(jié)合2D/3D鈣鈦礦結(jié)構(gòu)和表面偶極子的設(shè)計,解決了大面積太陽能組件中常見的問題,如表面缺陷的鈍化和能量水平對齊的問題。

                                              城大Alex Jen:雙層界面助力鈣鈦礦組件PCE突破25%


摘要

Prof. Alex Jen研究團(tuán)隊通過2D/3D鈣鈦礦結(jié)構(gòu)和表面偶極子的設(shè)計,開發(fā)了一種雙層界面工程技術(shù),用于提升倒置型鈣鈦礦太陽能組件的性能和穩(wěn)定性。具體來說,他們使用了苯乙基銨碘化物(PEAI)和PI來形成2D/3D異質(zhì)結(jié),并在鈣鈦礦薄膜表面形成表面偶極子,從而改善了能量水平對齊,降低了陷阱態(tài)密度,并提高了對環(huán)境壓力因素的穩(wěn)定性。此外,上層的PI層能夠在2D/3D鈣鈦礦表面上形成表面偶極子,優(yōu)化能量水平對齊。這種雙層界面工程能夠?qū)崿F(xiàn)大面積鈣鈦礦薄膜的均勻表面形態(tài)、較低的陷阱態(tài)密度以及對環(huán)境壓力因素的穩(wěn)定性。最終的器件在小面積上的光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)達(dá)到25.20%,大面積(1 cm2)的PCE23.96%,而組件(5×5 cm2,有效面積14.28 cm2)的PCE23.19%,這些結(jié)果在倒置型鈣鈦礦太陽能組件中處于水平之上。此外,器件在45MPP跟蹤1280小時后仍能保持超過93%的初始效率,顯示出良好的熱穩(wěn)定性和光穩(wěn)定性。這項研究為高效、穩(wěn)定的大面積鈣鈦礦太陽能電池制造提供了寶貴的見解。


研究目的

本研究旨在通過雙層界面工程技術(shù)來提升倒置型鈣鈦礦太陽能組件的性能和穩(wěn)定性。Prof. Alex Jen研究團(tuán)隊專注于2D/3D鈣鈦礦結(jié)構(gòu)和表面偶極子的設(shè)計,以優(yōu)化界面特性,從而實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)。研究的重點(diǎn)在于解決大面積太陽能組件中常見的問題,如表面缺陷鈍化和能量水平對齊的改善。此外,研究還探索了這種技術(shù)在大面積條件下的可擴(kuò)展性和性能保持,并通過實(shí)驗(yàn)和理論分析揭示了界面工程的機(jī)制,為未來高性能太陽能電池的制造提供了寶貴的見解。


城大Alex Jen:雙層界面助力鈣鈦礦組件PCE突破25%

  1. Fig. 4a: 展示了倒置型PSCs的裝置結(jié)構(gòu),這是一個基本的參考圖,用來描述實(shí)驗(yàn)中使用的太陽能電池的層疊結(jié)構(gòu)。


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  2. Fig. 4b: 顯示了具有不同活性面積的PSCsJ-V曲線,這些曲線用來評估太陽能電池的性能,包括開路電壓(VOC)、短路電流密度(JSC)、填充因子(FF)和光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)。


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  3. Fig. 4d, 4e, and Fig.      S11: 這些圖表展示了經(jīng)過雙層處理的PSCs的光電參數(shù)的統(tǒng)計分析,包括PCE、VOCFF的分布情況,用以證明處理後的裝置具有良好的重現(xiàn)性和性能提升。


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  4. Fig. 4f: 這張圖顯示了PEAIPI溶液濃度對裝置性能的影響,通過這個實(shí)驗(yàn),研究人員能夠確定最佳的處理條件。


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  5. Fig. 5a: 展示了倒置型鈣鈦礦太陽能迷你模塊的裝置結(jié)構(gòu),這是一個擴(kuò)展到更大面積的應(yīng)用。


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  6. Fig. 5b: 顯示了經(jīng)過雙層處理的迷你模塊的J-V曲線,以及一個5 cm × 5 cm迷你模塊的照片,用來展示裝置的實(shí)際大小和性能。


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  7. Fig. 5c: 提供了一個統(tǒng)計比較,對比了小於1cm2的裝置和大面積鈣鈦礦太陽能迷你模塊的VOCFF,展示了雙層處理策略在大面積條件下的有效性。


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  8. Fig. 5d: 顯示了PSCs65 °C黑暗條件下的PCE隨時間的變化,用來評估裝置的長期穩(wěn)定性。


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  9. Fig. 5e, 5f: 這些圖顯示了在不同溫度條件下(45 °C85 °C),封裝後的裝置的最大功率點(diǎn)(MPP)跟蹤,用來評估裝置在工作條件下的熱穩(wěn)定性。



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利用QE-R 太陽光模擬器來模擬標(biāo)準(zhǔn)的太陽光照條件(AM 1.5G)。這些實(shí)驗(yàn)幫助研究人員評估了裝置在工作條件下的熱穩(wěn)定性。


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SS-X太陽光模擬器的AM1.5G濾光片采用先進(jìn)的等離子沉積技術(shù)制成,具有高光譜精度和出色的耐用性,使使用壽命延長三倍。


研究方法

本研究的核心是通過2D/3D鈣鈦礦結(jié)構(gòu)和表面偶極子的設(shè)計來改善太陽能組件的性能和穩(wěn)定性。具體方法包括使用苯乙基銨碘化物(PEAI)和PI來形成2D/3D異質(zhì)結(jié),并在鈣鈦礦薄膜表面形成表面偶極子。這種方法有助于優(yōu)化能量水平對齊,降低陷阱態(tài)密度,并提高對環(huán)境壓力因素的穩(wěn)定性。


主要發(fā)現(xiàn)和結(jié)論

Prof. Alex Jen研究團(tuán)隊開發(fā)了一種雙層界面工程技術(shù),通過結(jié)合2D/3D鈣鈦礦結(jié)構(gòu)和表面偶極子的設(shè)計,顯著提升了倒置型鈣鈦礦太陽能組件的性能和穩(wěn)定性。這種技術(shù)不僅有效改善了太陽能組件的均勻性和持久性,還解決了表面缺陷鈍化和能量水平對齊的問題。研究結(jié)果顯示,隨著有效面積的增加,光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)從25.20%23.96%再到23.19%,損失最小,表明該技術(shù)具有良好的可擴(kuò)展性。此外,研究還揭示了雙層界面工程的機(jī)制及其對太陽能組件性能的影響,為制造高效、穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽能電池提供了寶貴的見解。



文獻(xiàn)參考自Science_DOI: 10.1016/j.esci.2024.100308

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