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準(zhǔn)分子激光技術(shù)顯著提升鈣鈦礦太陽電池性能

來源:中國科學(xué)院2019-08-21 我要評(píng)論(0 )   

中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所激光技術(shù)中心研究員方曉東課題組在利用準(zhǔn)分子激光技術(shù)提升鈣鈦礦太陽電池(

 

中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所激光技術(shù)中心研究員方曉東課題組在利用準(zhǔn)分子激光技術(shù)提升鈣鈦礦太陽電池(Perovskite solar cells,以下簡稱PSCs)性能研究方面取得新進(jìn)展。

  PSCs自2009年被首次報(bào)道以來發(fā)展迅速,目前其光電轉(zhuǎn)換效率已超越多晶硅太陽電池,達(dá)到了24.2%,極具應(yīng)用前景。PSCs的光吸收層有機(jī)無機(jī)雜化鈣鈦礦薄膜通常采用溶液方法在低溫(<150℃)下制備,既可構(gòu)筑剛性太陽電池又具有發(fā)展柔性太陽電池的天然優(yōu)勢。但溶液方法制備的鈣鈦礦薄膜表面會(huì)存在大量的缺陷,造成光生載流子的復(fù)合,阻礙電池性能的進(jìn)一步提高。同時(shí),目前PSCs常用電子傳輸層的制備過程需要在400~500℃的溫度下退火晶化,而此溫度超過了常用柔性基底能夠承受的溫度,制約了柔性PSCs的發(fā)展。

  針對(duì)上述存在的問題,結(jié)合準(zhǔn)分子激光光子能量高、單脈沖能量大、脈沖時(shí)間短、光斑面積大且能量分布均勻和熱效應(yīng)小等特點(diǎn),該課題組將準(zhǔn)分子激光技術(shù)引入PSCs研究中,通過準(zhǔn)分子激光輻照有效降低了鈣鈦礦薄膜的表面缺陷濃度,實(shí)現(xiàn)了電子傳輸層的低溫準(zhǔn)分子激光退火。

  該課題組副研究員王時(shí)茂和博士生單雪燕等使用248nm(KrF)準(zhǔn)分子激光輻照CH3NH3PbI3薄膜對(duì)其進(jìn)行表面改性。改性后的CH3NH3PbI3薄膜缺陷濃度從1.61×1016cm-3降至5.81×1015cm-3,瞬態(tài)熒光壽命測試表明光照下薄膜中光生載流子的非輻射復(fù)合得到了有效抑制,電池的光電轉(zhuǎn)換效率也得到了明顯提升。相關(guān)研究成果以《采用248nm KrF準(zhǔn)分子激光對(duì)CH3NH3PbI3薄膜進(jìn)行快速表面改性增強(qiáng)鈣鈦礦太陽電池性能》為題發(fā)表于Advanced Materials 雜志子刊Solar RRL上。

  該課題組副研究員董偉偉和博士生夏銳等首次將準(zhǔn)分子激光退火(Excimer laser annealing, ELA)技術(shù)應(yīng)用到PSCs電子傳輸層的制備中,使用308 nm(XeCl)準(zhǔn)分子激光對(duì)磁控濺射制備的鎵摻雜的氧化鋅(GZO)電子傳輸層進(jìn)行退火處理。ELA處理后,GZO薄膜的結(jié)晶性、透過率和電導(dǎo)率,以及基于其的PSCs的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性得到了顯著提升。相關(guān)成果以《鈣鈦礦太陽電池Ga摻雜ZnO電子傳輸層的準(zhǔn)分子激光退火》為題發(fā)表于RSC Advances上。

  上述兩項(xiàng)研究成果均與現(xiàn)有低溫多晶硅退火技術(shù)兼容,可望應(yīng)用于未來商業(yè)化硬質(zhì)和柔性PSCs的生產(chǎn)。

  上述研究得到國家自然科學(xué)基金、中科院百人計(jì)劃、中科院-日本學(xué)術(shù)振興會(huì)(CAS-JSPS)聯(lián)合項(xiàng)目和中科院光伏與節(jié)能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持。

  


 

  圖1 準(zhǔn)分子激光對(duì)CH3NH3PbI3薄膜表面進(jìn)行處理時(shí)的光路示意圖;(b, c)基于FTO/CH3NH3PbI3(準(zhǔn)分子激光處理前后)/Au結(jié)構(gòu)的電壓電流曲線圖,用于計(jì)算準(zhǔn)分子激光處理前后CH3NH3PbI3薄膜缺陷濃度;(d)準(zhǔn)分子激光處理前后CH3NH3PbI3薄膜的瞬態(tài)熒光壽命譜;(e)基于準(zhǔn)分子激光處理前后的CH3NH3PbI3薄膜的PSCs的J-V曲線及電池性能。

 

  圖2 (a)準(zhǔn)分子激光對(duì)GZO薄膜進(jìn)行退火時(shí)的光路示意圖;基于準(zhǔn)分子激光退火GZO薄膜的PSCs與基于其它處理方式GZO的PSCs的(b)J-V和(c)IPCE曲線對(duì)比。

 

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