文 章 信 息
MXene互連的高效鈣鈦礦/晶硅兩端機械疊層太陽電池
第一作者:韓天嬌
通訊作者:朱衛東*、仲鵬*、張春福*
單位:西電微電子學院、西安寶馨光能科技有限公司、西電廣州研究院廣州寬禁帶半導體創新中心、西電先進材料與納米科技學院
研 究 背 景
鈣鈦礦/晶硅兩端機械疊層太陽電池有望實現35%以上能量轉換效率(PCE),并且完成兼容現有工業級晶硅電池和鈣鈦礦太陽電池(PSCs)。本文通過MXene中間層實現半透明PSC頂電池 和TOPCon底電池的機械互聯,制成了高效鈣鈦礦/晶硅兩端機械疊層太陽電池。其中,半透明PSCs由寬帶隙鈣鈦礦Cs0.15FA0.65MA0.20Pb(I0.80Br0.20)3薄膜制成,并通過使用KPF6和CH3NH3Cl(MACl) 共添加劑有效減少了薄膜中的晶界和晶內缺陷,降低了非輻射復合概率,使半透明PSCs的PCE在反向掃描(RS)下達到了20.96%。在此基礎上,將優化的半透明PSCs應用于MXene互連的兩端機械疊層太陽電池 。測試發現,Mxene納米片在不顯著增加寄生吸收的同時,可增強疊層電池界面載流子傳輸,使得疊層電池的穩態PCE達到了29.65%,RS測試條件下PCE為30.26%。同時,其在連續光照120 min或在環境空氣中保存1000 h后,分別能夠保持其93%和92%初始性能,展現出良好的穩定性。
文 章 簡 介
近日,來自西安電子科技大學&西安寶馨光能有限公司的朱衛東副教授、張春福教授等人在國際知名期刊Advanced Functional Materials上發表題為“MXene-Interconnected Two-Terminal, Mechanically-Stacked Perovskite/Silicon Tandem Solar Cell with High Efficiency”的文章。該文章通過MXene中間層實現半透明PSC頂電池 和TOPCon底電池的機械互聯,成功實現了穩定效率為29.65%的鈣鈦礦/晶硅兩端機械疊層太陽電池。基于這種結構的疊層太陽電池的子電池可以獨立制備,并可直接采用雙面絨面的晶硅太陽電池,同時保持PSC的溶液可加工性、低成本和可高通量制備等特點。碩士生韓天嬌為本文第一作者,朱衛東副教授、仲鵬副教授和張春福教授為共同通訊作者,研究工作得到了張進成教授和郝躍院士的指導和幫助。
圖1. 未添加、添加MACl和添加KPF6+MACl制備的Cs0.15FA0.65MA0.20Pb(I0.80Br0.20)3薄膜的(a–c)SEM、(d–f)AFM、(g)XRD、(h)UV–vis吸收和(i)穩態PL測試結果。圖(i)中的PL光譜是測試沉積在ITO/SnO2襯底樣品所得到的。
圖2. (a)在RS下測試的20個獨立半透明PSCs的PCE統計結果;(b)在RS測試條件下,未添加、添加MACl和添加KPF6+MACl制備的最優半透明PSCs的J–V曲線;(c)使用KPF6+MACl添加劑制備的最優半透明PSC的EQE和Jsc積分曲線;(d-f)未添加、添加MACl和添加KPF6+MACl制得的典型半透明PSCs的(d)EIS、(e)TPC和(f)TPV測試結果。
圖3. (a)MXene互連的鈣鈦礦/晶硅兩端機械疊層太陽電池結構示意圖;(b)電池實物照;(c)沉積MXene后的TOPCon電池的表面SEM照片;(d)MXene薄片的低分辨率TEM、(e)高分辨率TEM和(f)HAADF STEM測試結果;(g1–g4)MXene薄片的能譜測試結果:(g1)Ti、(g2)C、(g3)F、和(g4)O;(h)石英和石英/MXene樣品的透射光譜。
圖4 (a)在RS測試條件下測得的TOPCon電池、半透明PSC以及使用和不使用Mxene互連層的疊層太陽電池的J-V曲線;(b)RS條件下測得的20個使用和不使用Mxene互連層的疊層太陽電池的PCE統計結果;(c-e)使用和不使用Mxene互連層的疊層太陽電池的:c)最大功率點附近的穩定輸出、d)EQE和1-R曲線、e)FS/RS J–V曲線;(f)基于Mxene互連層的鈣鈦礦/晶硅兩端機械疊層太陽電池的長期存儲穩定性測試結果。
本 文 要 點
要點一:采用KPF6和CH3NH3Cl(MACl) 添加劑協同優化鈣鈦礦薄膜
具有可調帶隙、全覆蓋和高結晶度特點的寬帶隙鈣鈦礦薄膜對于鈣鈦礦/晶硅兩端機械疊層太陽電池至關重要,文章使用一步法旋涂帶隙為1.68 eV的 Cs0.15FA0.65 MA0.20Pb(I0.80Br0.20)3薄膜,并對 KPF6 和MACl添加劑的協同改善作用進行了探索。研究表明,薄膜結晶特性性能的改善在很大程度上歸因于MACl與殘留溶劑的分子間交換,從而促進了 Cs0.15FA0.65 MA0.20Pb(I0.80Br0.20)3晶粒的生長。KPF6添加劑可以促進MACl與殘留溶劑的分子間交換,有效抑制非輻射電荷載流子復合,最終得到結晶性能優良的 Cs0.15FA0.65 MA0.20Pb(I0.80Br0.20)3薄膜。基于此最優工藝,可以成功制備出PCE高達20.96%的半透明鈣鈦礦子電池,以備串聯電池之需。
要點二:使用高電導率、高透光性、高柔韌度的中間互連層
制備鈣鈦礦/晶硅兩端機械疊層太陽電池的另一關鍵點便是使用具有高電導率和低寄生吸收的互連層。MXenes的電導率值高達15100 S cm-1,同時具有高透明度、出色的柔韌性和可調的功函數等特點,厚度僅約5 nm的Mxenes薄膜便能實現大約90%的光學透過率,還可以改善光生載流子的分離和傳輸,因此文章提出使用Mxenes作為疊層電池的互連層。
要點三:開發高效率且易于制備的鈣鈦礦/晶硅兩端機械疊層太陽電池
通過將半透明PSCs和TOPCon電池機械堆疊在一起,并使用MXene薄片作為界面透明導電互連層,成功開發了鈣鈦礦/晶硅兩端機械疊層太陽電池。由于半透明PSCs改善的效率和MXene薄片提供的較好的界面載流子傳輸作用,在RS測試條件下制備的鈣鈦礦/晶硅兩端機械疊層太陽電池展現出30.26 %的自測效率和30.18 %的認證效率(穩態效率為29.65 %) 。同時,其在室溫條件下具有出色的運行和存儲穩定性。
文 章 鏈 接
MXene-Interconnected Two-Terminal, Mechanically-Stacked Perovskite/Silicon Tandem Solar Cell with High Efficiency
//doi.org/10.1002/adfm.202311679
通 訊 作 者 簡 介
朱衛東,西安電子科技大學微電子學院副教授,主要從事新型半導體材料、器件與電路研究。近五年來,依托西安電子科技大學寬禁帶半導體國家工程研究中心、全國重點實驗室、集成電路產教融合創新平臺,在鈣鈦礦等新型半導體材料生長、探測/傳感/光電轉換器件以及電路模塊研制方面取得了諸多創新成果。以第一作者/通訊作者發表論文45篇,累計他引1500余次,入選“ESI 高被引”論文6篇,H因子25;申請/授權發明專利15余項,轉化5項。主持國家自然科學基金、裝備預研、科技部重點研發計劃子課題、科技部重大研究計劃子課題、陜西省重點研發計劃等國家級/省部級項目10余項。出版中英文專著2部,獲陜西省科技工作者創新創業大賽一等獎、陜西省電子學會自然科學二等獎、芯緣創新獎等獎勵。