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Nat.李耀文團隊:壽命提升10倍26.3%PSCs認證效率

發(fā)表時間:2024/10/18 16:53:53

研究成就與看點:

本研究挑戰(zhàn)了基于連續(xù)模式測試評估鈣鈦礦太陽能電池 (pero-SCs) 運行壽命的普遍方法,發(fā)現(xiàn)高效 FAPbI3 鈣鈦礦太陽能電池在自然晝夜循環(huán)模式下的衰減速度實際上要快得多。[1] 研究揭示,關鍵因素是運行過程中鈣鈦礦熱脹冷縮引起的晶格應變,這種效應在連續(xù)照明模式下逐漸放松,但在循環(huán)模式下同步循環(huán)。循環(huán)模式下的周期性晶格應變會導致運行過程中深陷阱積累和化學降解,從而降低離子遷移勢并縮短器件壽命。 為了解決這一問題,研究人員引入了苯基硒化氯 (Ph-Se-Cl) 來調節(jié)晝夜循環(huán)過程中的鈣鈦礦晶格應變,在改性后,在循環(huán)模式下實現(xiàn)了 26.3% 的認證效率和 10 倍提升的 T80 壽命。


文章作者與背景信息

這篇文章標題為《應變調節(jié)推遲鈣鈦礦太陽能電池的自然運行衰減》,發(fā)表在《自然》期刊上。 文章詳細介紹了作者的研究成果,重點探討了鈣鈦礦太陽能電池在自然晝夜循環(huán)模式下加速衰減的現(xiàn)象,并提出了一種通過添加劑調節(jié)晶格應變來提升器件穩(wěn)定性的方法。

作者信息:


鈣鈦礦太陽能電池壽命評估的挑戰(zhàn)


晶格應變對鈣鈦礦太陽能電池性能的影響

除了離子缺陷外,鈣鈦礦的另一個固有特性——軟晶格——也使得連續(xù)模式與循環(huán)模式在鈣鈦礦太陽能電池中的表現(xiàn)截然不同。 自然晝夜循環(huán)過程中的溫度變化會導致軟鈣鈦礦的晶格膨脹/收縮,這會嚴重影響鈣鈦礦太陽能電池的性能。然而,以往關于鈣鈦礦太陽能電池在晝夜循環(huán)模式下穩(wěn)定性的研究大多將工作溫度固定在室溫 (RT) (以及 ISOS-LC 協(xié)議),而忽略了溫度誘導效應。最近一項為期兩年多的長期追蹤研究表明,與恒定照明測量相比,鈣鈦礦太陽能電池在自然晝夜循環(huán)模式下的穩(wěn)定性可能截然不同。因此,深入了解在模擬自然晝夜循環(huán)模式下鈣鈦礦太陽能電池的壽命至關重要。


解決方案:晶格應變調控

本研究旨在探討自然晝夜循環(huán)模式下鈣鈦礦太陽能電池加速衰減的關鍵因素,并提出有效的解決方案。 研究發(fā)現(xiàn),循環(huán)模式下的周期性晶格應變是導致深陷阱積累和化學降解的主要原因。 為了減輕晶格應變,研究人員選擇苯基硒化氯 (Ph-Se-Cl) 作為添加劑。 苯基硒化氯具有以下優(yōu)勢:

通過引入 Ph-Se-Cl,可以有效地調節(jié)晝夜循環(huán)過程中的鈣鈦礦晶格應變,從而提高器件的穩(wěn)定性和壽命。

實驗過程與步驟:
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  1. 材料制備: 研究人員首先合成了      Ph-Se-ClPh-S-Cl Ph-Te-Cl 三種硫屬化物添加劑,并通過核磁共振 (NMR) 光譜對其分子結構進行了表征(補充圖 16)。

  2. 器件制備: 采用兩步法制備鈣鈦礦太陽能電池。 首先,將 PbI2 旋涂在 SnO2 基底上,并在 70°C 下退火 1分鐘。 然后,將含有 FAI 和不同濃度 Ph-Se-Cl 的有機鹵化物溶液動態(tài)旋涂在 PbI2 薄膜上,并在 150°C 下退火15分鐘。 最后,通過旋涂 Spiro-OMeTAD 溶液、蒸鍍金電極完成器件制備。

  3. 循環(huán)模式下的老化測試: 將制備好的器件置于模擬自然晝夜循環(huán)的環(huán)境中進行老化測試。 循環(huán)模式設定為 12小時光照(模擬太陽光照強度)、12小時黑暗,器件溫度在光照期間升至約 55°C,在黑暗期間降至室溫。

  4. 對照組: 為了比較      Ph-Se-Cl 的效果,研究人員還制備了不含任何添加劑的器件作為對照組。

本研究采用了多種表征手段來研究 Ph-Se-Cl 對鈣鈦礦太陽能電池性能和穩(wěn)定性的影響,其中包括太陽光模擬器、量子效率測量儀、Voc 損耗分析等光焱科技 Enlitech 所生產(chǎn)設備可量測的表征分析:
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除了上述光焱科技 Enlitech 可量測的表征分析外,本研究還采用了以下其他表征手段:


研究成果

本研究的主要研究成果如下:

本研究的重要研究手段包括:

本研究的結果表明,晶格應變調控是提高鈣鈦礦太陽能電池在自然運行條件下穩(wěn)定性的關鍵,為鈣鈦礦太陽能電池的商業(yè)化應用提供了重要的參考。


深入探討晶格應變與器件衰減的關系


循環(huán)模式下的晶格應變和薄膜應力

為了更深入地了解循環(huán)模式下晶格應變的影響,研究人員對 FAPbI3 鈣鈦礦太陽能電池進行了一系列深入的研究。

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首先,通過溫度相關的 X 射線衍射 (XRD) 測量發(fā)現(xiàn),在退火溫度到室溫的冷卻過程中,(004)/(220) 平面的對稱衍射峰變得不對稱,其半峰寬 (FWHM) ~0.11o 擴展到~0.15o(補充圖 4a)。 這表明在循環(huán)模式下,隨著溫度的變化,鈣鈦礦晶格會發(fā)生扭曲和對稱性變化,從而產(chǎn)生晶格應變。

進一步的計算表明,FAPbI3 薄膜的應力約為 111.8 MPa(補充圖 4b)。 值得注意的是,通過比較鈣鈦礦粉末(視為無應力狀態(tài))和鈣鈦礦薄膜的特征峰,發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦薄膜在冷卻過程中會經(jīng)歷從壓應力到拉應力的轉變(晶格應力大約從 0.3 MPa -0.2 MPa),并在~70°C 時呈現(xiàn)無應力狀態(tài)(補充圖 4d)。 這與晝夜循環(huán)模式下光和熱輻射引起的晶格膨脹相吻合。

研究人員還利用曲率測量方法計算了薄膜應力(補充說明 2)。 ~25°C 的恒定光照下,晶格應力緩慢釋放(在 200 分鐘內釋放~15 MPa)(補充圖 9a)。 然而,在~25°C ~55°C 的循環(huán)光照下,晶格應力迅速降低(在幾分鐘內降低~30 MPa)(補充圖 9b)。 這些結果表明,光致熱在晶格膨脹和收縮中起著關鍵作用,而循環(huán)模式下的溫度波動會導致周期性的晶格應變和薄膜應力變化,進而影響器件的穩(wěn)定性。


缺陷演變與離子遷移

晶格應變會導致鈣鈦礦薄膜中缺陷的形成和積累。 研究人員利用熱導納譜 (TAS) 和深能級瞬態(tài)譜 (DLCP) 研究了不同工作模式下缺陷的演變動態(tài)(補充說明 3)。
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結果表明,在連續(xù)模式和循環(huán)模式下老化后,器件都出現(xiàn)了兩個陷阱帶:一個中心位于~0.27 eV(淺陷阱區(qū):陷阱帶 I),另一個中心位于~0.37 eV(深陷阱區(qū):陷阱帶 II)(補充圖 11 和圖 2a[13]。 然而,循環(huán)模式下陷阱帶 II 的強度增加遠高于連續(xù)模式,表明循環(huán)模式下更容易形成深陷阱(圖 2a)。 通過空間分辨 DLCP 測量進一步發(fā)現(xiàn),深陷阱主要分布在靠近 Spiro-OMeTAD 層的區(qū)域(圖 2b)。 這可能是由于循環(huán)模式下的晶格應變促進了 I- 離子的遷移,并在 Spiro-OMeTAD 層附近積累。

此外,研究人員還通過溫度相關的電導率測量研究了離子遷移的動力學。 結果表明,在循環(huán)模式下,器件的離子遷移活化能 (Ea) 0.25 eV 降低到 0.13 eV(圖 2c 和補充圖 14)。 Ea在連續(xù)老化過程中幾乎恒定在 0.19 eV(圖 2c 和補充圖 14)。 Ea 的持續(xù)降低表明循環(huán)模式下離子遷移加劇,這會導致更嚴重的衰減(補充圖 15)。 循環(huán)模式下深缺陷的積累和離子遷移活化能的降低可以歸因于黑暗周期中晶格應變的重新形成。 如圖 2d-2e 所示,在連續(xù)模式下,光照和工作溫度 (~55°C) 逐漸釋放了晶格應變,阻礙了缺陷的產(chǎn)生和 PCE 的衰減。 然而,在循環(huán)模式下,晶格在室溫的黑暗周期中收縮并回到不對稱的正交相,導致晶格應變重新形成。 因此,在下一個光照周期中,收縮的晶格會不斷誘導深陷阱的產(chǎn)生,而這些深陷阱很難自愈。


循環(huán)模式下加速衰減的機制

綜合上述分析,可以得出以下結論:

因此,循環(huán)模式下鈣鈦礦太陽能電池的加速衰減是晶格應變、缺陷演變和離子遷移共同作用的結果。


Ph-Se-Cl 的作用機制


Ph-Se-Cl 與鈣鈦礦前驅體的相互作用

為了驗證 Ph-Se-Cl 在抑制晶格應變方面的作用,研究人員首先研究了 Ph-Se-Cl 與鈣鈦礦前驅體的相互作用。 通過紫外-可見 (UV-Vis) 吸收光譜和傅里葉變換紅外 (FTIR) 光譜分析發(fā)現(xiàn),Ph-Se-Cl 可以與 FAI 發(fā)生離子交換反應,生成 Ph-Se-I Cl-,并且 Ph-Se-Cl 可以與 PbI2 反應,形成一種新的化合物(補充圖 19)。
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XPS 分析進一步證實了 Pb2+ Ph-Se-Cl 之間的反應(補充圖 20)。 研究人員通過 HR-TEM GIWAXS 測量確認了這種新化合物是 PhSe-鉛酸鹽(補充圖 21-22 和圖 3c)。 PhSe-鉛酸鹽具有較大的空間位阻效應,可以有效地錨定在鈣鈦礦晶界上,抑制晶界處的離子遷移,從而提高器件的穩(wěn)定性。


Ph-Se-Cl 對晶格應變的調控

研究人員利用 GIWAXS 測量了 Ph-Se-Cl 對鈣鈦礦薄膜晶格應變的影響。 結果表明,與室溫下呈正交相的純 FAPbI3 薄膜不同,Ph-Se-Cl 改性的鈣鈦礦薄膜在室溫下呈現(xiàn)更高對稱性的擬立方相(拓展數(shù)據(jù)圖 6 和圖 3d)。 這可能是由于 Ph-Se-Cl 調節(jié)了鈣鈦礦的結晶過程。 此外,(002)/(110) (004)/(220) 平面的特征衍射峰在角度相關的 GIWAXS 測量中保持對稱,表明整個 Ph-Se-Cl 改性薄膜的結晶均勻(補充圖 23)。 更對稱的晶格也有效地釋放了自發(fā)應變(圖 3e 和補充表 5)。

除了在室溫下釋放自發(fā)應變外,研究人員還利用原位 GIWAXS 測量了模擬循環(huán)模式下 Ph-Se-Cl 改性薄膜的晶格應變演變。 結果表明,在整個循環(huán)過程中,鈣鈦礦的衍射峰幾乎沒有變化,表明 Ph-Se-Cl 的添加抑制了晶格體積的變化(圖 3f-3g)這可能與 PhSe-鉛酸鹽在晶界處增強的晶格對稱性和錨定效應有關,使得光/熱驅動的膨脹空間很小。 因此,在循環(huán)模式下,晶胞體積和衍射峰的展寬幾乎沒有變化(圖 3h 和補充圖 24)。 更對稱的 FAPbI3 鈣鈦礦相,以及 PhSe-鉛酸鹽在晶界處的較大空間位阻效應,使得鈣鈦礦晶格對光照和溫度循環(huán)的敏感性降低,從而抑制了整個循環(huán)模式下晶格應變引起的鈣鈦礦衰減。


Ph-Se-Cl 提高器件穩(wěn)定性


形貌、缺陷和離子遷移的改善

通過調節(jié)晶格應變,Ph-Se-Cl 可以有效地提高鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性。 在循環(huán)模式下老化后,Ph-Se-Cl 改性的鈣鈦礦薄膜保持了致密的形貌(補充圖 25),并且老化后的器件在陷阱帶 II 中的缺陷態(tài)密度 (tDOS) 比對照器件低一個數(shù)量級(補充圖 26)。
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此外,在連續(xù)模式下,光照下離子遷移的 Ea ~0.184 eV 增加到~0.381 eV,在循環(huán)模式下,Ea ~0.131 eV 增加到~0.377 eV(補充圖 27-28)。 Ea 的顯著提高最大限度地減少了離子從活性層遷移到 HTL 的現(xiàn)象(補充圖 29-30)。


器件壽命的提升

較低的深陷阱密度和較高的離子遷移 Ea 可以有效地減緩鈣鈦礦太陽能電池的衰減速率。 在連續(xù)模式下(補充圖 31),Ph-Se-Cl 改性器件(認證 PCE 26.3%,圖 4a 和補充圖 32)在 1000 小時的持續(xù)光照后仍能保持其初始效率的~95%,而對照器件的效率僅為~70%(圖 4b)。 在循環(huán)模式下,Ph-Se-Cl 改性器件在 13 個晝夜循環(huán)(光照時間為 156 小時)后仍能保持其初始效率的~86%,而對照器件的效率僅為~39%(圖 4b)。 這表明 Ph-Se-Cl 可以有效地提高鈣鈦礦太陽能電池在循環(huán)模式下的穩(wěn)定性,其性能與目前的封裝鈣鈦礦太陽能電池相當(補充表 1)。


不同組成和條件下的穩(wěn)定性

為了進一步驗證 Ph-Se-Cl 的普適性,研究人員還測試了不同組成和不同條件下 Ph-Se-Cl 對器件穩(wěn)定性的影響。 結果表明,Ph-Se-Cl 可以有效地提高基于 FA0.92MA0.08PbI3 Cs0.05FA0.7MA0.25PbI2.6Br0.4 的鈣鈦礦太陽能電池在循環(huán)模式下的穩(wěn)定性(圖 4d[37]。 此外,在更苛刻的條件下,例如更高的工作溫度 (85°C) 和更穩(wěn)定的 BDT-DPA-F HTL,Ph-Se-Cl 仍然可以有效地提高器件的穩(wěn)定性(圖 4c 和拓展數(shù)據(jù)圖 7[38, 39]。 這些結果表明,Ph-Se-Cl 調節(jié)晶格應變是一種通用的策略,可以有效地提高各種鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性。


總結

本研究揭示了自然晝夜循環(huán)模式下鈣鈦礦太陽能電池加速衰減的關鍵因素——晶格應變,并提出了一種通過引入 Ph-Se-Cl 來調節(jié)晶格應變的有效策略。 Ph-Se-Cl 可以與鈣鈦礦前驅體反應,形成 PhSe-鉛酸鹽,錨定在鈣鈦礦晶界上,抑制晶界處的離子遷移,并促進形成更高對稱性的擬立方相,從而有效地抑制晶格應變,提高器件的穩(wěn)定性和壽命。 本研究為提高鈣鈦礦太陽能電池在自然運行條件下的穩(wěn)定性提供了重要的參考,為鈣鈦礦太陽能電池的商業(yè)化應用奠定了基礎。



文獻參考自NATURE_DOI: 10.1038/s41586-024-08161-x

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