微电子学院麦耀华团队在柔性钙钛矿光伏电池和组件效率研究取得突破

发布单位:机构人员汇总 [2021-10-12 00:00:00] 打印此信息

近日,微电子学院麦耀华团队在柔性钙钛矿光伏电池和组件效率研究领域取得突破,相关成果以“An Embedding 2D/3D Heterostructure Enables High-Performance FA-alloyed Flexible Perovskite Solar Cells with Efficiency over 20%”为题发表在国际权威刊物杂志《Advanced Science》上(IF=16.806),王祯博士后为文章的第一作者,郭飞研究员和麦耀华教授为文章的共同通讯作者。

柔性钙钛矿太阳电池(f-PSCs)因其在消费级电子产品领域具有巨大的发展前景,受到了国内外研究者们的广泛关注。制备高性能的f-PSCs的关键是要在更粗糙以及不平整的柔性衬底表面上,沉积无针孔、致密和少缺陷的高质量的钙钛矿结晶薄膜。麦耀华团队对此问题的研究取得新成果。

在前期的工作中,麦耀华团队报道了一种基于刮涂印刷工艺制备的高效f-PSCs,采用硫脲(TU)作为添加剂来调节钙钛矿活性层的结晶形貌;之后又通过使用PEDOT:PSS/PTAA双界面层与钙钛矿材料之间形成“Cascade Level”的能级结构,从而大大减少了载流子在界面处的复合,极大提升了器件的FF。最终,制备的小面积(0.09 cm2)的柔性PSC的PCE达到19.41%,FF达到81%,这是目前报道的柔性PSC器件中最高的FF之一。该研究工作已经发表在《Advanced Functional Materials》杂志上(https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202001240)。

最近,该团队围绕f-PSCs领域中的关键问题,首先,采用真空辅助结晶的刮涂加工工艺来制备FA基钙钛矿光伏器件,并使用DMF:NMP混合溶剂来延缓钙钛矿的结晶速率,从而获得均匀致密的钙钛矿薄膜。之后,他们将一种胍的衍生物,4-胍基丁酸(GBA)作为添加剂加入到FA基钙钛矿的前驱体溶液中,利用GBA与PbI2间反应能生成2D钙钛矿的特点,制备了2D/3D异质结结构的钙钛矿结晶薄膜。

图1 f-PSCs的器件结构及器件性能(左)和2D/3D钙钛矿结构示意图(右)

进一步的研究显示,薄膜中2D钙钛矿相是采用face-on的取向,垂直插入在3D钙钛矿的晶界处,很好的钝化了原3D钙钛矿薄膜中的深能级缺陷,显著的降低了钙钛矿薄膜中的非辐射复合,极大提升了器件的开路电压(VOC)。最终,基于2D/3D结构的钙钛矿薄膜制备的刚性PSCs获得了21.45%的效率,同时,f-PSCs的效率也达到20.16%。并且,相较于参比器件,基于2D/3D结构的f-PSCs也同样展现出了更加优异的抗弯曲性能。

图2(a)小面积柔性器件的J-V曲线和(b)相应的EQE曲线;(c)1cm2的f-PSCs的器件性能;(d)柔性器件抗弯曲性能测试(弯曲半径3mm);(e)柔性PSC模组照片和(f)相应的J-V曲线。

为了体现刮涂的加工方式在制备大面积器件时的优势,他们分别制备了5cm×5 cm的由7个子电池串联而成的刚性和柔性PSCs模组,分别获得了16.03%和14.48%的光电转化效率。

该研究得到国家自然科学基金,广东省自然科学基金以及中央高校基本科研专项资金项目的支持。

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202101856

(微电子学院)

责编:苏倩怡


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