解决方案
助力钙钛矿太阳能电池技术新发展 —卓立汉光太阳能电池测试系统解决方案
钙钛矿太阳能电池简介
太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。简单的说,太阳光电的发电原理,是利用太阳电池吸收400nm~1100nm波长(针对硅晶)的太阳光,将光能直接转变成电能输出的一种发电方式。
太阳能技术发展大致经历了三个阶段:第一代太阳能电池主要指单晶硅和多晶硅太阳能电池,其在实验室的光电转换效率已经分别达到25%和20.4%;第二代太阳能电池主要包括非晶硅薄膜电池和多晶硅薄膜电池。第三代太阳能电池主要指具有高转换效率的一些新概念电池, 如染料敏化电池、量子点电池以及有机太阳能电池等。
钙钛矿型太阳能电池(perovskite solar cells),是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池,属于第三代太阳能电池,也称作新概念太阳能电池,是《科学》杂志评选的2013年度十大科技突破之一,是一种有望进一步降低光伏发电价格的新型光伏体系。目前钙钛矿太阳电池发展现状良好,但仍有若干关键因素可能制约钙钛矿太阳电池的发展,其中关键问题之一是电池的稳定性问题。
 
钙钛矿电池技术新发展—新型钝化技术
近年来,金属卤化物钙钛矿太阳能电池(PSCs)的能量转化效率显著提高,从2009年的3.8%提升至2018年的23.7%,这得益于钙钛矿电池吸光系数高、载流子迁移率高、载流子寿命长等令人着迷的光学和电子特性。不仅如此,制作工艺简单、材料成本低廉,也使它成为目前有应用前景的新型太阳能电池器件之一。然而,研究人员发现无机-有机混合型钙钛矿甲胺铅碘(MAPbI3)材料对于水、氧非常敏感。除此之外,钙钛矿太阳能薄膜电池各功能层之间存在界面缺陷,这些缺陷会引起钙钛矿分解,降低器件的稳定性,加速器件老化。因此,如何减少或钝化器件中的缺陷对于制备高性能、高稳定性电池至关重要。
 
根据不同的钝化位置和钝化目的,对钙钛矿太阳能电池的钝化技术可以分为以下几类:
1、电子传输层与钙钛矿层。大多数高性能的钙钛矿太阳能电池采用TiO2作为电子传输层,但TiO2是很好的光催化剂,会加速器件性能衰减。可以通过物理隔离电子传输层和钙钛矿层,提高器件的稳定性。同时,TiO2与钙钛矿层的缺陷可能导致器件的光伏回滞特性,采用I主族金属元素、氯化物、聚合物掺杂等方法可以减少激子复合和回滞。
2、钙钛矿层和空穴传输层。钙钛矿层和空穴传输层之间由于悬空键的存在,钙钛矿表面存在大量缺陷,激子复合率高。通过在两层间加入一超薄的PMMA层或Al2O3层,可以有效钝化界面,阻挡激子复合并提升器件性能。
3、钙钛矿层本身。在钙钛矿层中加入含阳离子的憎水大分子,保护钙钛矿层,避免水汽侵入,从而提升钙钛矿太阳能电池的湿稳定性。
 
北京大学物理学院的赵清教授课题组在之前发展的籽晶诱导的基础上,进行了系统的界面优化,通过分别控制有机胺盐(NH2CHNH2I/CH3NH3Br)在碘化铅(PbI2)上的反应深度,钙钛矿的分解程度,以及钙钛矿表面的溶剂处理,实现了钙钛矿薄膜的顶部、底部以及晶界处PbI2的形成这一系列的钝化。得到稳态输出效率超过了22%,稳态开路电压1.15V(相对于带隙宽度损耗仅为0.38V)的钙钛矿电池,基本为1.53eV带隙钙钛矿电池的*低开路电压损失。通过时间分辨的荧光检测以及详细的阻抗谱分析,证实PbI2和钙钛矿的界面是一个缺陷非常少的界面,几乎可以和Si/SiO2界面相媲美。(相关工作发表在Solar RRL(DOI: 10.1002/solr.201800296)上。)

非钝化、单面钝化与双面钝化对比图
 
中科院化学研究所胡劲松研究员课题组与于贵研究员课题组及天津大学化工学院冯亚青教授课题组合作发表了题目为“High-Mobility Hydrophobic Conjugated Polymer as Effective Interlayer for Air-Stable Efficient Perovskite Solar Cells”的文章。本文介绍了一种通过引入高迁移率疏水共轭高分子界面层来解决空穴传输层添加剂导致器件不稳定问题并同时改善器件转换效率的方法。研究人员在钙钛矿太阳能电池的钙钛矿层与传统空穴传输层(Spiro-OMeTAD)间引入一种具有高迁移率的疏水共轭高分子(PD-10-DTTE-7)界面层,显著提高了钙钛矿太阳能电池的空气稳定性和光电转换效率(相关工作在线发表在Solar RRL(DOI: 10.1002/solr.201800232)上)
 
石墨炔是一种sp和sp2杂化的π共轭体系的二维材料,n型半导体特性,且拥有适当的带隙、高电子态密度及良好的疏水性。中科院物理研究所孟庆波课题组与化学研究所李玉良课题组在这一领域开展深入合作,将石墨炔引入到了FA0.85MA0.15Pb(I0.85Br0.15)3钙钛矿膜中,构建了石墨炔/钙钛矿体相异质结薄膜。在此基础上,制备了高效、水稳定性优异的钙钛矿太阳能电池。实验表明,钙钛矿/石墨炔体相异质结促进了激子分离并提高光生电子的抽取能力,提升了电子传输能力,电池的短路电流升高。另外,石墨炔的引入钝化了晶界和界面缺陷,有效地抑制了光生载流子的复合,获得了相对较高的填充因子,以及20.54%的光电转换效率。此外,基于石墨炔/钙钛矿体相异质结的钙钛矿薄膜的抗湿性得到明显提升。(相关结果发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201802012)上。)
 
卓立汉光为钙钛矿电池测试提供特殊定制样品台
 
钙钛矿太阳能电池除两端电极外,功能层分为空穴传输层(NiOx)、钙钛矿层(CH3NH3PbI3)以及电子传输层(ZnO)。太阳光从ITO玻璃面入射,电极在入射光背面,称为背电极结构。阴极为Al、阳极为ITO。
卓立汉光针对这种背电极结构的钙钛矿太阳能电池提供定制样品探针台,QE-F6-D。由于不同客户制作的电池尺寸和电极位置不同,因此卓立汉光针对每个客户的电池尺寸及电极位置量身定做样品台,达到电极接触良好、不遮光、不易损坏ITO膜及同一样品上不同电池块输出的快速切换。
QE-F6-D使用简单,只需三步就可以完成样品安装:
1、解锁打开上盖;
2、ITO面朝上放入样品台;
3、扣上盖锁好,旋转旋钮选择不同电池片的电流输出;
 
钙钛矿电池结构                           QE-F6-D 样品探针台
                                                                   
卓立汉光提供全套钙钛矿电池测试系统
1、IV系统

功能:测量太阳能电池短路电流、短路电流密度、开路电压、*大功率、*大功率电流、*大功率电压、填充因子、光电转换效率、正反向调速扫描与暗电流扣除功能。
特点:AAA级太阳光模拟器,长时间稳定性好(不稳定度<0.8%)可用于长时间稳定性测试,模拟器光出口四个方向可调满足客户样品在手套箱里面的测试需求,出光口遥控光阑片方便遮光更换样品。
系统组成:太阳光模拟器、标准单晶硅太阳电池(中国计量研究院标定)、吉时利2400源表、样品探针台、IV软件。
 
图引自Constructing CsPbBr3 Cluster Passivated-Triple Cation Perovskite for Highly Efficient and Operationally Stable Solar Cells.
 
2、QE系统
功能:光谱响应度、外量子效率、内量子效率、反射率、透射率、积分短路电流密度、光束诱导电流。
特点:测量结果重复性高测量结果准确可重复,自动化测试流程高简化测试员工作、测试出错率低,系统*小光斑直径小于1mm满足小面积电池的测试需求,高稳定性高强度光源不同重复标定标准探测器,节省测试时间,高强度光源充分激发电池效率,测试结果更准确,全反射光路无色差测试结果无偏差。
图引自Efficient Perovskite Solar Cells Fabricated Through CsCl-Enhanced PbI2 Precursor via Sequential Deposition.
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