城大Alex Jen：双层界面助力钙钛矿组件PCE突破25%
时间：2024-09-24 阅读：579
来自香港城市大学的Prof. Alex Jen研究团队共同完成了一项研究：一种双层界面工程技术，旨在提升倒置型钙钛矿太阳能组件的性能和稳定性。Prof. Alex Jen通过结合2D/3D钙钛矿结构和表面偶极子的设计，解决了大面积太阳能组件中常见的问题，如表面缺陷的钝化和能量水平对齐的问题。
摘要
Prof. Alex Jen研究团队通过2D/3D钙钛矿结构和表面偶极子的设计，开发了一种双层界面工程技术，用于提升倒置型钙钛矿太阳能组件的性能和稳定性。具体来说，他们使用了苯乙基铵碘化物（PEAI）和PI来形成2D/3D异质结，并在钙钛矿薄膜表面形成表面偶极子，从而改善了能量水平对齐，降低了陷阱态密度，并提高了对环境压力因素的稳定性。此外，上层的PI层能够在2D/3D钙钛矿表面上形成表面偶极子，优化能量水平对齐。这种双层界面工程能够实现大面积钙钛矿薄膜的均匀表面形态、较低的陷阱态密度以及对环境压力因素的稳定性。最终的器件在小面积上的光电转换效率（PCE）达到25.20%，大面积（1 cm²）的PCE为23.96%，而组件（5×5 cm²，有效面积14.28 cm²）的PCE为23.19%，这些结果在倒置型钙钛矿太阳能组件中处于水平之上。此外，器件在45℃的MPP跟踪1280小时后仍能保持超过93%的初始效率，显示出良好的热稳定性和光稳定性。这项研究为高效、稳定的大面积钙钛矿太阳能电池制造提供了宝贵的见解。
研究目的
本研究旨在通过双层界面工程技术来提升倒置型钙钛矿太阳能组件的性能和稳定性。Prof. Alex Jen研究团队专注于2D/3D钙钛矿结构和表面偶极子的设计，以优化界面特性，从而实现高效、稳定的钙钛矿太阳能电池（PSCs）。研究的重点在于解决大面积太阳能组件中常见的问题，如表面缺陷钝化和能量水平对齐的改善。此外，研究还探索了这种技术在大面积条件下的可扩展性和性能保持，并通过实验和理论分析揭示了界面工程的机制，为未来高性能太阳能电池的制造提供了宝贵的见解。
Fig. 4a: 展示了倒置型PSCs的裝置結構，這是一個基本的參考圖，用來描述實驗中使用的太陽能電池的層疊結構。
Fig. 4b: 顯示了具有不同活性面積的PSCs的J-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）和光電轉換效率（PCE）。
Fig. 4d, 4e, and Fig. S11: 這些圖表展示了經過雙層處理的PSCs的光電參數的統計分析，包括PCE、VOC和FF的分布情況，用以證明處理後的裝置具有良好的重現性和性能提升。
Fig. 4f: 這張圖顯示了PEAI和PI溶液濃度對裝置性能的影響，通過這個實驗，研究人員能夠確定最佳的處理條件。
Fig. 5a: 展示了倒置型鈣鈦礦太陽能迷你模塊的裝置結構，這是一個擴展到更大面積的應用。
Fig. 5b: 顯示了經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，用來展示裝置的實際大小和性能。
Fig. 5c: 提供了一個統計比較，對比了小於1cm2的裝置和大面積鈣鈦礦太陽能迷你模塊的VOC和FF，展示了雙層處理策略在大面積條件下的有效性。
Fig. 5d: 顯示了PSCs在65 °C黑暗條件下的PCE隨時間的變化，用來評估裝置的長期穩定性。
Fig. 5e, 5f: 這些圖顯示了在不同溫度條件下（45 °C和85 °C），封裝後的裝置的最大功率點（MPP）跟蹤，用來評估裝置在工作條件下的熱穩定性。
利用QE-R 太阳光模拟器来模拟标准的太阳光照条件（AM 1.5G）。这些实验帮助研究人员评估了装置在工作条件下的热稳定性。
SS-X太阳光模拟器的AM1.5G滤光片采用先进的等离子沉积技术制成，具有高光谱精度和出色的耐用性，使使用寿命延长三倍。
研究方法
本研究的核心是通过2D/3D钙钛矿结构和表面偶极子的设计来改善太阳能组件的性能和稳定性。具体方法包括使用苯乙基铵碘化物（PEAI）和PI来形成2D/3D异质结，并在钙钛矿薄膜表面形成表面偶极子。这种方法有助于优化能量水平对齐，降低陷阱态密度，并提高对环境压力因素的稳定性。
主要发现和结论
Prof. Alex Jen研究团队开发了一种双层界面工程技术，通过结合2D/3D钙钛矿结构和表面偶极子的设计，显著提升了倒置型钙钛矿太阳能组件的性能和稳定性。这种技术不仅有效改善了太阳能组件的均匀性和持久性，还解决了表面缺陷钝化和能量水平对齐的问题。研究结果显示，随着有效面积的增加，光电转换效率（PCE）从25.20%到23.96%再到23.19%，损失最小，表明该技术具有良好的可扩展性。此外，研究还揭示了双层界面工程的机制及其对太阳能组件性能的影响，为制造高效、稳定的钙钛矿太阳能电池提供了宝贵的见解。
文献参考自Science_DOI: 10.1016/j.esci.2024.100308
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