吉林大學宋宏偉Adv.Energy Mater.SAED改進鈣鈦礦太陽能電池的紫外穩定性

【引言】

近年來，有機鉛鹵化的鈣鈦礦材料在太陽能電池上的應用引發了人們的關注。高吸收係數，高載流子遷移率和獨特的物理性質，使得鈣鈦礦材料具有令人著迷的光學和電子特性。受益於這些優異性能，鈣鈦礦太陽能電池（PSC）的功率轉換效率（PCE）在不到五年的時間內大幅度提升達到了22.1％。然而，PSC在光照條件下並不穩定。一方面，由於這些材料中存在有機CH3NH3+離子，光照會導致鈣鈦礦材料的分解；另一方面，紫外線照射會引起氧空位和缺陷，導致鈣鈦礦材料分解，降低器件性能。因此，減少太陽光譜中紫外線的比例可以提高PSC器件的紫外光穩定性。

【成果簡介】

由於在紫外（UV）光條件下鈣鈦礦材料的高靈敏度，PSC室外應用的穩定性仍然是一個挑戰。近日，吉林大學宋宏偉教授和戴其林副教授（共同通訊作者）等人，通過使用脈衝激光沉積方法引入光子降變層SrAl2O4：Eu2+，Dy3+（SAED），提高了PSC器件的UV光穩定性，獲得了17.8％的PCE。更重要的是，光源關閉後，由於SAED的持久發光將產生太陽能儲存效應。在PSC中引入SAED不僅可以改善PSC的光穩定性，還為太陽能存儲提供了新的範例。該成果以「Long-Lasting Nanophosphors Applied to UV-Resistant and Energy Storage Perovskite Solar Cells」為題發表在期刊Advanced Energy Materials上。

【圖文導讀】

圖一：基於SAED的鈣鈦礦太陽能電池的結構和表徵

a）基於SAED的PSC的示意圖；

b）AFM高度感測器圖像；

c）通過PLD在FTO /玻璃基板上製備的SAED膜結構的X射線衍射圖；

d）SAED膜的餘輝特性，插圖：發光機理。

圖二：設備性能對SAED層的依賴性

a）在暗處和模擬的AM 1.5照明下，PSC的代表性反向J-V曲線（是否具有SAED）。 插圖：器件的Jsc，Voc，FF和PCE的比較參數（是否具有SAED）；

b）PSC的IPCE光譜（是否具有SAED）。 插圖：SAED膜的激發和發射光譜；

c）在0和0.8 V偏置電壓下，在100 000至0.1 Hz的頻率範圍內，對PSC的奈奎斯特曲線擬合結果（是否具有SAED）；

d）光強度為1-110 mW cm-2時，Voc測量的光強度依賴性；

e）將裝置在黑暗中保存24小時以消除餘輝電流的影響，設備的控制（黑線）和SAED修改（紅線）的J-V曲線；

f）基於不同厚度SAED的PCE。

圖三：穩定性和光誘導陷阱狀態分析

a）關閉模擬光源後，器件的光儲能效應（是否有SAED器件）；

b）在365nm UV光照射下，UV穩定性控制情況；

c）打開指示燈48小時以上，設備降解/恢復的周期示意圖；

d）裝置（是否具有SAED）恢復時間的溫度依賴性，以估計光誘導陷阱狀態；

e）基於鈣鈦礦層帶結構演化提出的光電流退化和自愈機理的示意圖。 深藍線表示紫外線激活的陷阱狀態，深紅線表示可見光下的狀態；

f）未封裝的設備在環境中的穩定性。環境相對濕度為25-30％，溫度控制在16-25℃之間。

【小結】

在研究工作中，光致發光SAED層被成功植入PSC以提高器件性能。通過優化SAED層的厚度，裝置的最大PCE達到17.8％，在一般環境中可穩定工作長達2600小時。由於從UV到可見光有效的光轉換，具有SAED的PSC裝置顯著地改善了光穩定性。此外，引入SAED層也對PSC的光誘導陷阱狀態和自愈過程有重要影響。更重要的是，由於SAED的持久發光，光源關閉後，具有SAED的PSC會保持3小時的餘輝電流，使太陽能電池在黑暗中工作，是對傳統太陽能電池的重大突破。

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