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光电流诱导甲基铵基碘化铅钙钛矿太阳能电池加速降解研究

点击: 次  来源:卓立汉光 时间:2020-05-14

       得益于钙钛矿薄膜优异的光电性能,钙钛矿薄膜太阳电池的光电转化效率(PCE)由最初的3.8%快速上升到22.1%。然而,钙钛矿薄膜的稳定性问题一直没有得到有效解决,成为该类电池商业化进程中的主要障碍。随着相关研究工作的不断开展,研究者在确定钙钛矿薄膜降解诱发因素方面取得了许多成果,但是对于其电池性能下降的动态过程认识却相对匮乏。对于该性能衰减过程的研究将有助于提高和改善钙钛矿薄膜电池的长期稳定性,增强其实用价值。
深圳大学屈军乐教授课题组通过监控短路电流(Jsc)变化情况来研究电池性能退化动力学(Drate),经过光照IV测试后,发现退化动力学从约0.02mA cm-2·min-1变化到约0.35mA cm-2·min-1
       采用旋涂法制备未封装的平面结构钙钛矿电池,电池结构和形态如下图所示。未封装的钙钛矿电池(PSCs)的光电流-电压(IV曲线),在暗条件下器件放置在大气环境中(相对湿度65%)15分钟(第一次测试)和30分钟(第二次测试),清楚的显示出性能如图1c所示,在第一次测试中,PCS表现出了出色的光电性能(PCE=16%)(Jsc)约为21.4 mAcm-2,Voc为0.98 V,填充因子(FF)约为77%,但是当放置时间到30分钟后,Jsc、Voc和FF分别降至15.4mAcm-2、0.96 V和约70%,相当于第二次测试中将近37%的光电转换效率损失。
       为了进一步研究PCS降解动力学,通过IPCE积分短路电流密度值(Jsc),评估性能下降动力学(Drate),下图显示了未封装的PSCs光照之前和之后的IPCE曲线(放置时间5-15分钟)。发现 400-500nm和710-760nm会明显下降(<15min),如图2a中的插图1和2所示,一般钙钛矿正面对短波长敏感(蓝色),背面对长波长敏感(红色),这是由于光的入射深度,水分扩散到PSCs中诱导和降解都起始于转换层和钙钛矿薄膜,这样将增加界面中的缺陷数量,从而导致IPCE值下降。
       为了了解降解加速机理,从物理和化学的角度对光IV试验前后的器件进行了特性分析。下图中显示了光IV之前和之后的PSCs的暗IV曲线,并通过两二极管模型进行了数据拟合
       其中q,k,T,RS和Rsh分别是电荷,玻尔兹曼常数,绝对温度,串联电阻和并联电阻,当偏压较小时(V),主要是分流影响暗电流(Jdark),但随着偏压加大,由于太阳电池二极管特性,复合和扩散的电流主要控制暗电流(Jdark)。光照IV测试后,Jrec和n2在光照IV测试后增加,较高的Jrec和n2值表明复合增加了缺陷密度,复合不仅是增加了器件的缺陷态,还形成了局部缺陷。Jdiff值光照前后器件在一个数量级,由于局部缺陷加强的复合可能是造成PSCs在光照IV测试后电流损失的重要原因。
       深圳大学屈军乐教授课题组深入研究研究钙钛矿电池降解机理,通过研究短路电流变化率的实验数据表明,加速降解过程主要是水分诱发的水化作用和碘离子迁移。并采用三步实验进一步解释其降解机理,提出降解与水分和迁移速率有关,迁移的碘离子增强了水化进程,同时会快速形成H2O和O2快速扩散通道,从而导致钙钛矿薄膜快速分解并增加缺陷态密度。当PCBM受到迁移碘离子损害时,扩散的O2会促进降解,这些结果表明减小迁移离子数量,有助于防止钙钛矿电池的降解。该实验通过积分短路电流的变化速率研究性能下降的动态过程,有助于提高和改善钙钛矿薄膜电池的长期稳定性,增强实用价值。
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