宽带隙钙钛矿太阳能电池的挑战与应用展望
在过去的几年里, 钙钛矿材料表现出高效率、低成本的绝对优势, 特别是钙钛矿材料由于灵活可调的禁带宽度 (1.2—2.5 ev) 为其在多结叠层太阳电池、彩色太阳电池以及光电催化中的应用提供了先决条件。再加之简单低温溶液制备工艺使其成为制造多结叠层太阳电池(tandem solar cells, tscs) 的理想候选材料。目前实验室基于晶硅/钙钛矿两端 tscs 的光电转换效率已经超过了商用晶硅太阳电池, 并朝着更高效率发展。因此这种光伏技术现在存在的挑战和应用场景的展望是值得关注的。
宽带隙钙钛矿太阳能电池中的固有问题
目前 wbg-pscs 最大的问题就是开路电压损失严重. 主要包括以下几方面因素:
1) 碘-溴混合的宽带隙钙钛矿材料在光照下存在明显的卤素分离,形成了低带隙的富碘域, 导致了次带隙吸收增加,最终限制太阳电池的开路电压。
2) 宽带隙钙钛矿吸收层表面以及与电荷传输层界面容易出现较严重的陷阱态, 从而捕获载流子, 造成严重的界面非辐射复合。
3) 宽带隙钙钛矿吸收层相对于窄带隙吸收层来说, 与电荷传输层之间的能级偏移更大, 载流子一旦从吸收层转移至传输层, 就会失去部分自由能, 从而造成额外的开路电压损失。根据吸收层与电荷传输层 (ctl) 能级排列, 在统计的空穴传输层 (htl) 中, 聚合物 ptaa 和 poly-tpd 与钙钛矿的价带能级最为匹配, 甚至超过了目前广泛使用的 spiro-ometad,而对于pedot: pss 的能级偏移较为严重, 不利于空穴的提取和阻挡电子; 同样, p3ht 的带隙太窄, 也不利于阻挡电子, 因此目前基于这两种空穴传输层的 pscs 开路电压都普遍较低。在所示的电子传输层 (etl) 中, tio2 和 sno2 的能级位置要更优于 p-i-n 器件结构中常用的 c60 和 pcbm.此外, 可以发现 c60和pcbm相对于吸收层的能级偏移要比 spiro-ometad 更加严重, 这也可能是目前 n-i-p 型太阳电池表现更为优异的原因之一。为了改善在 p-i-n 型宽带隙钙钛矿与c60 (pcbm)之间的能级错位, 通常做法是插入一层薄的氟化锂 (lif) 中间层, 其导带位置大约为–4.01 ev。除此之外, 在带隙更宽的全无机 pscs 中, 为了改善吸收层与电荷传输层之间的能级严重失配,通常会采用梯度带隙结构的 pscs, 即将不同带隙的钙钛矿吸收层梯度排列共同作为吸收层来提高载流子的提取和传输效率。这种方法, 一方面有效降低载流子转移过程中的复合损耗, 增强内建电场, 从而提高开路电压, 另一方面增厚了钙钛矿薄膜有利于增加吸光度, 从而提高短路电流密度。
宽带隙钙钛矿、窄带隙钙钛矿和常用电荷传输层的能带图
宽带隙钙钛矿太阳能电池应用展望
首先，宽带隙 (eg > 1.63 ev) 钙钛矿能够与多种窄带隙的无机吸收层比如硅 (si)、铜铟镓硒 (cigs)、碲化镉 (cdte) 或者窄带隙钙钛矿等相结合, 制备出一定效率的 tscs。并且随着钙钛矿带隙的拓宽, 实现不同程度透明度的薄膜也成为可能, 电池的颜色也可由红棕色变为黄色, 这使得宽带隙 pscs 在光伏建筑一体化(bipv) 方面具有不可比拟的优势。尽管目前国内bipv 市场大多还是晶硅电池的天下, 主要原因是其价格便宜和稳定性好, 但其在透明应用的市场方面还存在一定的局限性。而薄膜型的 pscs 不仅质量轻、柔韧性好、弱光性好, 颜色也多变, 更有利于与建筑物融为一体, 有望成为高楼大厦幕墙装饰、车辆有色玻璃贴膜等的替代品。
此外, 受太阳电池的启发, 钙钛矿材料也在光电催化领域表现出良好的发展潜力。特别是将具有高开路电压 (voc) 的宽带隙钙钛矿太阳电池 (wbg pscs) 或 tscs 应用于光电水解制氢和二氧化碳还原等领域。
由于宽带隙钙钛矿光伏材料在晶硅/钙钛矿叠层太阳电池、半透明/热致变色电池、水下光伏发电等方面具有的独特应用优势，其已成为近几年光伏领域的研究热点之一。西安电子科技大学微电子副教授/西安宝馨光能科技有限公司董事长朱卫东将介绍宽带隙钙钛矿光伏材料的基本特性及器件应用，并重点介绍其在晶硅/钙钛矿叠层太阳电池应用方面的主要技术路线、进展、今后要解决的科学技术问题以及团队的研究进展。
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目前 wbg-pscs 最大的问题就是开路电压损失严重. 主要包括以下几方面因素:
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2) 宽带隙钙钛矿吸收层表面以及与电荷传输层界面容易出现较严重的陷阱态, 从而捕获载流子, 造成严重的界面非辐射复合。
3) 宽带隙钙钛矿吸收层相对于窄带隙吸收层来说, 与电荷传输层之间的能级偏移更大, 载流子一旦从吸收层转移至传输层, 就会失去部分自由能, 从而造成额外的开路电压损失。根据吸收层与电荷传输层 (ctl) 能级排列, 在统计的空穴传输层 (htl) 中, 聚合物 ptaa 和 poly-tpd 与钙钛矿的价带能级最为匹配, 甚至超过了目前广泛使用的 spiro-ometad,而对于pedot: pss 的能级偏移较为严重, 不利于空穴的提取和阻挡电子; 同样, p3ht 的带隙太窄, 也不利于阻挡电子, 因此目前基于这两种空穴传输层的 pscs 开路电压都普遍较低。在所示的电子传输层 (etl) 中, tio2 和 sno2 的能级位置要更优于 p-i-n 器件结构中常用的 c60 和 pcbm.此外, 可以发现 c60和pcbm相对于吸收层的能级偏移要比 spiro-ometad 更加严重, 这也可能是目前 n-i-p 型太阳电池表现更为优异的原因之一。为了改善在 p-i-n 型宽带隙钙钛矿与c60 (pcbm)之间的能级错位, 通常做法是插入一层薄的氟化锂 (lif) 中间层, 其导带位置大约为–4.01 ev。除此之外, 在带隙更宽的全无机 pscs 中, 为了改善吸收层与电荷传输层之间的能级严重失配,通常会采用梯度带隙结构的 pscs, 即将不同带隙的钙钛矿吸收层梯度排列共同作为吸收层来提高载流子的提取和传输效率。这种方法, 一方面有效降低载流子转移过程中的复合损耗, 增强内建电场, 从而提高开路电压, 另一方面增厚了钙钛矿薄膜有利于增加吸光度, 从而提高短路电流密度。
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首先，宽带隙 (eg > 1.63 ev) 钙钛矿能够与多种窄带隙的无机吸收层比如硅 (si)、铜铟镓硒 (cigs)、碲化镉 (cdte) 或者窄带隙钙钛矿等相结合, 制备出一定效率的 tscs。并且随着钙钛矿带隙的拓宽, 实现不同程度透明度的薄膜也成为可能, 电池的颜色也可由红棕色变为黄色, 这使得宽带隙 pscs 在光伏建筑一体化(bipv) 方面具有不可比拟的优势。尽管目前国内bipv 市场大多还是晶硅电池的天下, 主要原因是其价格便宜和稳定性好, 但其在透明应用的市场方面还存在一定的局限性。而薄膜型的 pscs 不仅质量轻、柔韧性好、弱光性好, 颜色也多变, 更有利于与建筑物融为一体, 有望成为高楼大厦幕墙装饰、车辆有色玻璃贴膜等的替代品。
此外, 受太阳电池的启发, 钙钛矿材料也在光电催化领域表现出良好的发展潜力。特别是将具有高开路电压 (voc) 的宽带隙钙钛矿太阳电池 (wbg pscs) 或 tscs 应用于光电水解制氢和二氧化碳还原等领域。
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