中科院化学所宋延林&李明珠&浙江大学沙威团队Adv. Mater.:彩色的高效莫尔钙钛矿太阳能电池
【引言】
有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池(PSCs)由于具有大吸收系数、长载流子扩散长度、较少晶界和缺陷的大晶粒尺寸等优良的光电特性,以及与硅太阳能电池相比生产成本低等特点,可发展成为性能优越的薄膜光伏器件。最近,PSCs的功率转换效率(PCE)已提高到认证效率的25.5%。在开发更轻、更薄、更高效的PSCs的同时,为了将来的量产,人们还在减少材料用量(尤其是减少铅的用量)和生产成本方面做了许多努力。虽然钙钛矿是一种优良的光电材料,但其PCE仍低于其理论极限值。特别是有35%的光损失,包括14%被导电基板(FTO、ITO)吸收,4%被玻璃基板表面反射,2%在功能层(电子传输层、空穴传输层和电极层)损失,15%从PSCs逸出。有效的光子管理有望通过构筑捕光纳米结构将光富集到吸收层,并延长光路,从而增加光载流子的数量,使光电流和PCE得到提升,并有望实现低成本的高效薄型PSCs。
【成果简介】
近日,在中国科学院化学研究所宋延林研究员和李明珠研究员、浙江大学沙威教授(共同通讯作者)团队等人带领下,汪洋博士 等通过压印方法,借助商用DVD光盘,设计并制造出具有莫尔干涉结构的彩色高效莫尔PSCs。从实验和理论证明,通过改变旋转角度(0°–90°),可以有效地控制莫尔干涉结构的光富集能力。增强的短路电流归因于增加了光衍射通道,延长入射光光路,并将入射光富集到钙钛矿层中。此外,压印过程抑制了活性层界面的缺陷和空洞,消除了滞后。莫尔PSCs具有优化的30°旋转角度,可实现最佳的光收集增强效果(比原始高28.5%),使效率超过20.17%(MAPbI3)和21.76%((FAPbI3)1‐x (MAPbBr3)x)。该成果以题为“Colorful Efficient Moiré-Perovskite Solar Cells”发表在了Adv. Mater.上。
【图文导读】
图1 商用DVD光盘压印摩尔PSCs的示意图
a)具有有效光吸收的PSCs的示意图。因缺乏有效的光捕获结构, 大量的光在钙钛矿光电器件中被浪费。
b)具有双衍射光栅的PSCs的示意图。
c)莫尔PSCs具有不同相交角度,以提高光收集效率。
d)周期≈0.75µm,宽度≈0.25µm,高度≈0.1µm的PVK光栅结构钙钛矿薄膜的AFM图像。
e,f)使用双衍射光栅的莫尔钙钛矿薄膜的光束图像,在532nm处观察到衍射(e:侧视图,f:正视图)。它有三组衍射光束和衍射点。
图2 莫尔钙钛矿薄膜的光学表征
a)两个周期性结构相互干扰造成的莫尔图像。
b)通过将两个衍射光栅从0°旋转到90°来制备莫尔PSCs。莫尔周期取决于两个光栅之间的旋转角度。
c)莫尔周期与旋转角度的相图(从0°到90°)和莫尔图案形成的示意图(插图(c))。莫尔周期随着旋转角的增加而减小。
d)莫尔衍射的旋转角度与入射波长的关系图。从5°到55°的旋转角度确保莫尔光衍射覆盖宽的入射波长(400-800 nm)。
e)计算了两个入射波长(500和700 nm)下,从0°到70°的光吸收与旋转角度的关系。
f)测量莫尔钙钛矿薄膜的反射率和LHE。莫尔钙钛矿薄膜提高了长波长范围(λ> 700 nm)的光捕获效率和光捕获能力。
g)相对于非偏振入射光束(532 nm)的光功率(dB),在30°旋转角下进入莫尔PSC。
h)考虑到PSCs的反射损耗、EQE、Yablonovitch 4n2极限和4n2极限。由于莫尔衍射光栅耦合效应提高LHE,在长波长(λ> 700 nm)范围内,莫尔PSCs的EQE得到了增强。
图3 采用不同光捕获结构的PSCs光吸收的3D FDTD模拟
光栅周期是750nm。波长为500、600、700和750 nm的xz面电磁能量密度的空间分布:a)参照样参照样,b)D-TiO2,c)D-钙钛矿,d)莫尔钙钛矿薄膜。莫尔钙钛矿薄膜的详细参数包括在25 nm致密TiO2层, 180 nm的介孔TiO2。在meso-TiO2/PVK界面处有深度80 nm的光栅, 330 nm的PVK。 Spiro-OMeTAD厚度为300 nm的波纹,包括PVK/Spiro界面的光栅深度100 nm。与其他样品(原始、D-TiO2、D-钙钛矿薄膜)相比,莫尔钙钛矿薄膜获得了最强的吸收,这是由于莫尔衍射光栅的耦合效应所致。
图4 莫尔钙钛矿太阳能电池的光电性能
a)彩色PSCs的视觉效果。
b)莫尔PSCs与MAPbI3和(FAPbI3)1‐x(MAPbBr3)x钙钛矿活性层的的J-V特性。对于MAPbI3,莫尔PSCs的PCE(20.17%)高于参照样(17.42%)。对于(FAPbI3)1‐x(MAPbBr3)x,莫尔PSCs的PCE(21.76%)高于参照样(19.11%)。
c)PSCs的J-V磁滞。莫尔PSCs显示出可忽略的光电流滞后。
d,e)利用MAPbI3对PSCs的J-V特性进行实验测量和理论拟合。
f)PSCs的Voc与光强度的关系。
g,h)在光强度为100 mW cm-2的480 nm和650 nm照射下,PSCs的J-V磁滞测量。
i)最大输出功率点的电流密度和相应的PCE。
【小结】
综上所述,通过在电子传输层和钙钛矿活性层上压印衍射光栅结构,构建了莫尔干涉结构作为PSCs的空间光调制器。重要的是,团队提出了双光栅形成的莫尔干涉结构,通过将旋转角度从0到90°,灵活地控制光的采集。与单一和独立的光学结构相比,莫尔干涉结构提供了更多的衍射通道,从而增加了光程长度,增强了钙钛矿活性层的光吸收。因此,实现了两个莫尔PSCs,MAPbI3效率最高为20.17%,(FAPbI3)1‐x(MAPbBr3)x效率最高为21.76%。结果表明莫尔干涉结构是一种很有前途的光管理策略,可以在不降低光电性能的情况下制造高性能光伏器件和光电探测器,尤其是钙钛矿/硅串联PSCs的潜在应用。基于商业DVD模板的压印方法,使得各种光电转换器件的制造简单、成本低、可扩展。该方法实用性强,易于推广用于制造高效率、低成本和大面积PSCs,为下一代高效光伏开辟了新的途径。
文献链接:Colorful Efficient Moiré-Perovskite Solar Cells(Adv. Mater.,2021,DOI:10.1002/adma.202008091)
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