中国科大徐集贤团队Science：抑制相分离的三卤化物宽带隙钙钛矿可实现高效钙钛矿/硅叠层太阳能电池

 

 

宽带隙金属卤化物钙钛矿是与硅叠层结合使用的理想半导体，以实现超过30%的功率转换效率（PCE），同时降低成本。然而，宽带隙钙钛矿太阳能电池受到光诱导相分离和低开路电压的基本限制。量子效率（EQE）测试对于验证三重卤化物宽带隙钙钛矿材料在太阳能电池中应用的性能至关重要。美能量子效率测试仪用于准确测定钙钛矿太阳能电池EQE、IQE、反射率、透射率和短路电流密度等参数。

三卤化物钙钛矿的光电性能

三重卤化物钙钛矿合金的特性

 

 

EQE（量子效率）测量：通过形成含2-5mol%Cl的三卤化物钙钛矿，相对于主体钙钛矿，能带隙得以提高。例如，Cs25Br15与不同含量的MAPbCl₃混合后，所形成的薄膜能带隙从1.63eV连续提升到>1.67eV，表明了三卤化物的形成对能带隙有显著影响。上图从多个方面展示了三卤化物钙钛矿电池的特性，包括 EQE 测量、SEM 图像、TOF - SIMS 深度剖面、能带隙演变曲线以及 XRD 峰的移动与相转变等，这些结果共同揭示了三卤化物钙钛矿的结构和性能特点以及相分离机制。

三重卤化物钙钛矿薄膜中电荷载流子迁移率和寿命

三卤化物钙钛矿薄膜中电荷载流子迁移率和寿命的增强

 

从图中的时间分辨微波电导率（TRMC）测量结果可知，1.67-eV的三卤化物钙钛矿薄膜（Cs22Br15+Cl3）与对照薄膜（Cs25Br20）相比，电荷载流子寿命显著增加。在吸收光子通量约为 1×10¹⁰ cm⁻²（接近 1-sun 强度）时，寿命从420ns增加到846ns，约为对照样品的两倍。

 

在不同激发强度下，三卤化物钙钛矿薄膜的电荷载流子迁移率也有明显提高。相对于对照双卤化物薄膜，三卤化物薄膜的迁移率近乎翻倍。

三重卤化物钙钛矿材料中光诱导相分离的抑制效果

图中可见，钙钛矿薄膜在光照下出现光致相分离现象，且随光照强度增加而加剧。三卤化物钙钛矿在光照下表现出较好的光稳定性，且在高光照强度下出现 PL 光谱蓝移现象。通过对比，直观地证明了三卤化物钙钛矿对光致相分离具有抑制作用，为其在高效太阳能电池中的应用提供了优势。

⾼效稳定的三⻧化物钙钛矿/硅叠层

单结不透明电池和半透明顶电池的光伏特性

 

 

EQE 光谱与光学性能：不透明电池在较宽的波长范围内具有较高的EQE，而半透明电池在近红外区域具有一定的透明度，同时其EQE也能满足一定的性能要求。

 

长期稳定性测试： 1-cm² 的半透明电池和不透明电池在加速条件下（0.77 - sun 光照和 60°C）的长期连续最大功率点（MPP）跟踪结果。半透明电池在N₂环境下经过1000 小时的连续MPP操作后，几乎没有降解（<4%），而不透明电池在空气中经过250小时的连续 MPP 操作后，仍能保留90%的初始PCE。

 

三重卤化物钙钛矿太阳能电池在光伏性能上相较于对照组有显著提升，包括更高的PCE、更稳定的操作以及更好的光稳定性。

1-cm² 双端钙钛矿/硅叠层电池的光伏特性

1-cm² 双端钙钛矿/硅串联电池的光伏特性

 

 

量子效率（EQE）光谱：钙钛矿顶电池（蓝色曲线）和硅底电池（红色曲线）的EQE光谱显示了两个子电池在不同波长下的光电转换效率。

 

EQE光谱表明，钙钛矿和硅子电池的光谱响应是互补的。钙钛矿顶电池在300-500nm和600-900 nm的范围内展现了较高的EQE值，而硅底电池在800-1100 nm的范围内展现了较高的EQE值。

 

三重卤化物钙钛矿/硅叠层太阳能电池在提高光电转换效率方面具有显著潜力。通过优化钙钛矿顶电池和硅底电池的设计和制造，可以实现超过30%的高效率，这对于推动太阳能技术的发展具有重要意义。

美能量子效率测试仪

 

 

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氙灯+卤素灯双光源结构，保证光源稳定性

通过EQE测试的数据和分析，展示了三重卤化物钙钛矿材料在提升太阳能电池性能方面的重要进展，研究人员可以调整材料组分、器件结构和制造工艺，以实现最佳的光电性能和高效率的叠层太阳能电池。美能量子效率测试仪通过精确模拟自然光谱和利用先进的光电技术，不仅提供高精度的测试结果，还能适应各种复杂的电池结构。