吉林大学宋宏伟Adv. Energy Mater.：SAED改进钙钛矿太阳能电池的紫外稳定性

【引言】

近年来，有机铅卤化的钙钛矿材料在太阳能电池上的应用引发了人们的关注。高吸收系数，高载流子迁移率和独特的物理性质，使得钙钛矿材料具有令人着迷的光学和电子特性。受益于这些优异性能，钙钛矿太阳能电池（PSC）的功率转换效率（PCE）在不到五年的时间内大幅度提升达到了22.1％。然而，PSC在光照条件下并不稳定。一方面，由于这些材料中存在有机CH₃NH³⁺离子，光照会导致钙钛矿材料的分解；另一方面，紫外线照射会引起氧空位和缺陷，导致钙钛矿材料分解，降低器件性能。因此，减少太阳光谱中紫外线的比例可以提高PSC器件的紫外光稳定性。

【成果简介】

由于在紫外（UV）光条件下钙钛矿材料的高灵敏度，PSC室外应用的稳定性仍然是一个挑战。近日，吉林大学宋宏伟教授和戴其林副教授（共同通讯作者）等人，通过使用脉冲激光沉积方法引入光子降变层SrAl₂O₄：Eu²⁺，Dy³⁺（SAED），提高了PSC器件的UV光稳定性，获得了17.8％的PCE。更重要的是，光源关闭后，由于SAED的持久发光将产生太阳能储存效应。在PSC中引入SAED不仅可以改善PSC的光稳定性，还为太阳能存储提供了新的范例。该成果以“Long-Lasting Nanophosphors Applied to UV-Resistant and Energy Storage Perovskite Solar Cells”为题发表在期刊Advanced Energy Materials上。

【图文导读】

图一：基于SAED的钙钛矿太阳能电池的结构和表征

a）基于SAED的PSC的示意图；

b）AFM高度传感器图像；

c）通过PLD在FTO /玻璃基板上制备的SAED膜结构的X射线衍射图；

d）SAED膜的余辉特性，插图：发光机理。

图二：设备性能对SAED层的依赖性

a）在暗处和模拟的AM 1.5照明下，PSC的代表性反向J-V曲线（是否具有SAED）。 插图：器件的J_sc，V_oc，FF和PCE的比较参数（是否具有SAED）；

b）PSC的IPCE光谱（是否具有SAED）。 插图：SAED膜的激发和发射光谱；

c）在0和0.8 V偏置电压下，在100 000至0.1 Hz的频率范围内，对PSC的奈奎斯特曲线拟合结果（是否具有SAED）；

d）光强度为1-110 mW cm^-2时，V_oc测量的光强度依赖性；

e）将装置在黑暗中保存24小时以消除余辉电流的影响，设备的控制（黑线）和SAED修改（红线）的J-V曲线；

f）基于不同厚度SAED的PCE。

图三：稳定性和光诱导陷阱状态分析

a）关闭模拟光源后，器件的光储能效应（是否有SAED器件）；

b）在365nm UV光照射下，UV稳定性控制情况；

c）打开指示灯48小时以上，设备降解/恢复的周期示意图；

d）装置（是否具有SAED）恢复时间的温度依赖性，以估计光诱导陷阱状态；

e）基于钙钛矿层带结构演化提出的光电流退化和自愈机理的示意图。 深蓝线表示紫外线激活的陷阱状态，深红线表示可见光下的状态；

f）未封装的设备在环境中的稳定性。环境相对湿度为25-30％，温度控制在16-25℃之间。

【小结】

在研究工作中，光致发光SAED层被成功植入PSC以提高器件性能。通过优化SAED层的厚度，装置的最大PCE达到17.8％，在一般环境中可稳定工作长达2600小时。由于从UV到可见光有效的光转换，具有SAED的PSC装置显着地改善了光稳定性。此外，引入SAED层也对PSC的光诱导陷阱状态和自愈过程有重要影响。更重要的是，由于SAED的持久发光，光源关闭后，具有SAED的PSC会保持3小时的余辉电流，使太阳能电池在黑暗中工作，是对传统太阳能电池的重大突破。

文献链接：Long-Lasting Nanophosphors Applied to UV-Resistant and Energy Storage Perovskite Solar Cells (Adv. Energy Mater.,2017, DOI: 10.1002/aenm.201700758)

本文由材料人编辑部周梦青编译，点我加入材料人编辑部。

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