四川大学最新Joule：兼具低非辐射复合和局部载流子传输损耗的高效钙钛矿太阳能电池组件

【引言】 

 近年来，钙钛矿型太阳能电池（PSCs）由于光电转换效率（PCE）高、制备成本低、工艺简单、柔性轻便等优点引起人们的广泛关注。钙钛矿的化学通式为ABX₃，其中A（甲基铵，[MA]=CH₃NH₃⁺和甲酰胺，[FA]=CH₃(NH₂)₂⁺）, B（Pb²⁺, Sn²⁺和Ge²⁺）以及X（I^-，Br^-和Cl^-）分别代表有机阳离子、二价金属阳离子和阴离子。目前高性能的PSCs一般采用三阳离子（FA⁺、MA⁺和Cs⁺）钙钛矿作为吸收层。 虽然三阳离子体系已被证明能促进钙钛矿材料的均匀成膜，形成具有杂质较少、热稳定性好的吸收层材料，但基于三阳离子的太阳能电池器件性能仍远未达到预期。肖克利-奎塞尔极限（SQ）基于“器件内部所有载流子仅发生辐射复合”这一理想情况，预测了单结太阳能电池所能到达的最高理论效率。而在实际情况下，由于非均匀分布的缺陷中心造成的非辐射复合和载流子输运损失限制了效率的提升。前者降低了两个能带中的非平衡载流子浓度，导致准费米能级分裂和最大开路电压(V_OC)的降低，而后者则表示结载流子输运到电极过程中发生的损耗。因此，降低非辐射复合和载流子传输损失是实现高性能太阳能电池的可行策略。在之前大多数研究中，评价PSCs钝化效果和器件内部载流子动力学特性基本都采用稳态光致发光(PL)或时间分辨光致发光(TRPL)，后者是研究PSCs中载流子寿命最广泛的技术。然而，此类表征手段的不足之处在于它们只关注材料或器件在局部范围内的特性，因而可能并不适于大面积分析。作为一种替代方法，空间分辨荧光成像技术可以实现在较大尺度如微米以上材料和器件进行各种观测表征。另外，基于CCD成像的测试系统可以在几秒钟内收集一系列发光图像，有利于大规模PSCs的快速评估。

    近日，四川大学太阳能材料与器件研究所提出了一种基于光电互易定理与PSCs荧光成像技术相结合的表征策略，采用过量的氯化铅（PbCl₂）组分工程（MACl与PbCl₂双氯钝化）提高了钙钛矿薄膜的均匀性并抑制了非辐射复合，显著提高了薄膜质量、优化了器件性能。基于(CsPbI₃)_0.05((FAPbI₃)_1-x(MAPbBr₃)_x)_0.95吸收层的PSCs外量子荧光效率达到1.14％（相当于0.116 V的非辐射电压损失）。在一定辐照水平下，具有良好的局部和全局载流子传输特性。基于前驱液过量PbCl₂组分工程实现缺陷钝化的小面积PSCs获得接近22%的平均效率。最后，研究者们在孔径面积为25.49 cm²的钙钛矿太阳能电池组件上实现了认证效率17.88％的突破，组件的填充因子达到了78％以上。本文所报道的定量和空间分辨的表征技术在未来对实验室小面积PSCs进行实时跟踪以及在大面积组件的快速检测方面展现出了巨大的应用潜力。相关研究成果以“Efficient Perovskite Solar Modules with Minimized Nonradiative Recombination and Local Carrier Transport Losses”为题发表在Joule上。

【图文导读】

图一、钙钛矿薄膜的性质表征

（A, B）对照组和经PbCl₂钝化后的钙钛矿薄膜的高分辨率μ-PL图像；

（C-F） 对照组和经PbCl₂钝化后的钙钛矿薄膜PL发射谱、Raman光谱 、TRPL载流子寿命和X射线衍射谱。

图二、内部电压分布、外部发光效率和相应的非辐射复合损耗

（A）PSCs电池结构示意图；

（B）完整电池器件的截面SEM图像；

（C-E）对照组和PbCl₂钝化组钙钛矿太阳能电池的局部结电压成像及与其对应的局部结电压统计分布；

（F, G）对照组和PbCl₂钝化组钙钛矿太阳能电池的外量子荧光效率与对应非辐射复合电压损失。

 图三、器件的局部和全局载流子传输性质

（A, B）对照组和经PbCl₂钝化的钙钛矿电太阳能池在最佳工作条件下局部载流子传输效率分布；

（C）全局载流子传输效率随电压变化关系；

（D）全局载流子传输效率随等效光强变化关系；

（E, F）对照组和PbCl₂钝化的钙钛矿太阳能电池在不同工作点下局部载流子传输效率分布。

 图四、标准测试条件(AM1.5G, 100 mW/cm², 25 ℃)下电池和组件的性能

(A) 小面积钙钛矿太阳能电池JV特性曲线；

(B) 25.49 cm²钙钛矿太阳能电池组件的IV特性曲线；

(C) 钙钛矿太阳能电池组件稳态光电流和效率。

【小结】

本文报道了有效的缺陷钝化和器件精细化表征策略，将广义光电互易理论和荧光成像技术相结合，采用前驱液过量氯化铅的组分工程对吸收层进行钝化，提高了钙钛矿薄膜的均匀性并抑制了材料内部少数载流子的非辐射复合，使器件的外量子荧光效率提升至1.14％（相当于仅0.116 V的非辐射电压损失），使得小面积电池的平均效率提升至接近22%。通过这一组分工程策略，结合快速成像技术对材料及器件的测试表征结果，研究者最终成功制备出认证效率达17.88%的钙钛矿太阳能电池组件（孔径面积25.49 cm²），其填充因子超过78%。本文的研究结果表明，定量和空间分辨测试表征技术有望成为在钙钛矿太阳能电池组件的大规模生产中进行实时评估和快速检测的重要工具。

本文的通讯作者为四川大学赵德威研究员和郝霞副研究员，电子科技大学任翱博和四川大学赖华贵为共同第一作者。文献链接：“Efficient Perovskite Solar Modules with Minimized Nonradiative Recombination and Local Carrier Transport Losses”(Joule，2020，10.1016/j.joule.2020.04.013)

本文由CYM编译供稿。