太陽光模擬器在鈣鈦礦太陽能電池研究方向的應(yīng)用

研究背景

得益于鈣鈦礦薄膜優(yōu)異的光電性能，鈣鈦礦薄膜太陽電池的光電轉(zhuǎn)化效率（PCE）由初的3.8%快速上升到22.1%。 然而，鈣鈦礦薄膜的穩(wěn)定性問題一直沒有得到有效解決，成為該類電池商業(yè)化進(jìn)程中的主要障礙。隨著相關(guān)研究工作的不斷開展，研究者在確定鈣鈦礦薄膜降解誘發(fā)因素方面取得了許多成果，但是對(duì)于其電池性能下降的動(dòng)態(tài)過程認(rèn)識(shí)卻相對(duì)匱乏。對(duì)于該性能衰減過程的研究將有助于提高和改善鈣鈦礦薄膜電池的長期穩(wěn)定性， 增強(qiáng)其實(shí)用價(jià)值。

深圳大學(xué)屈軍樂教授課題組通過監(jiān)控短路電流（J_sc）變化情況來研究電池性能退化動(dòng)力學(xué)（D_rate），經(jīng)過光照IV測(cè)試后，發(fā)現(xiàn)退化動(dòng)力學(xué)從約0.02mA cm^-2·min^-1變化到約0.35mA cm^-2·min^-1

器件和表征

采用旋涂法制備未封裝的平面結(jié)構(gòu)鈣鈦礦電池，電池結(jié)構(gòu)和形態(tài)如下圖所示。未封裝的鈣鈦礦電池（PSC_s）的光電流-電壓（IV曲線），在暗條件下器件放置在大氣環(huán)境中（相對(duì)濕度65%）15分鐘（一次測(cè)試）和30分鐘（第二次測(cè)試），清楚的顯示出性能如圖1c所示，在一次測(cè)試中，PCS表現(xiàn)出了出色的光電性能（PCE=16%）（J_sc）約為21.4 mAcm^-2，V_oc為0.98 V，填充因子（FF）約為77%，但是當(dāng)放置時(shí)間到30分鐘后，J_sc 、Voc和FF分別降至15.4mAcm^-2、0.96 V和約70％，相當(dāng)于第二次測(cè)試中將近37%的光電轉(zhuǎn)換效率損失。

為了進(jìn)一步研究PCS降解動(dòng)力學(xué)，通過IPCE積分短路電流密度值（J_sc），評(píng)估性能下降動(dòng)力學(xué)（D_rate），下圖顯示了未封裝的PSC_s光照之前和之后的IPCE曲線（放置時(shí)間5-15分鐘）。發(fā)現(xiàn) 400-500nm和760nm會(huì)明顯下降（＜15min），如圖2a中的插圖1和2所示，一般鈣鈦礦正面對(duì)短波長敏感（藍(lán)色），背面對(duì)長波長敏感（紅色），這是由于光的入射深度，水分?jǐn)U散到PSC_s中誘導(dǎo)和降解都起始于轉(zhuǎn)換層和鈣鈦礦薄膜，這樣將增加界面中的缺陷數(shù)量，從而導(dǎo)致IPCE值下降。

為了了解降解加速機(jī)理，從物理和化學(xué)的角度對(duì)光IV試驗(yàn)前后的器件進(jìn)行了特性分析。下圖中顯示了光IV之前和之后的PSC_s的暗IV曲線，并通過兩二極管模型進(jìn)行了數(shù)據(jù)擬合

其中q，k，T，RS和Rsh分別是電荷，玻爾茲曼常數(shù)，溫度，串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻，

當(dāng)偏壓較小時(shí)（V），主要是分流影響暗電流（J_dark），但隨著偏壓加大，由于太陽電池二極管特性，復(fù)合和擴(kuò)散的電流主要控制暗電流（J_dark）。光照IV測(cè)試后，J_rec和n₂在光照IV測(cè)試后增加，較高的J_rec和n₂值表明復(fù)合增加了缺陷密度，復(fù)合不僅是增加了器件的缺陷態(tài)，還形成了局部缺陷。J_diff值光照前后器件在一個(gè)數(shù)量級(jí)，由于局部缺陷加強(qiáng)的復(fù)合可能是造成PSC_s在光照IV測(cè)試后電流損失的重要原因。

總結(jié)

深圳大學(xué)屈軍樂教授課題組深入研究研究鈣鈦礦電池降解機(jī)理，通過研究短路電流變化率的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，加速降解過程主要是水分誘發(fā)的水化作用和碘離子遷移。并采用三步實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步解釋其降解機(jī)理，提出降解與水分和遷移速率有關(guān)，遷移的碘離子增強(qiáng)了水化進(jìn)程，同時(shí)會(huì)快速形成H₂O和O₂快速擴(kuò)散通道，從而導(dǎo)致鈣鈦礦薄膜快速分解并增加缺陷態(tài)密度。當(dāng)PCBM受到遷移碘離子損害時(shí)，擴(kuò)散的O₂會(huì)促進(jìn)降解，這些結(jié)果表明減小遷移離子數(shù)量，有助于防止鈣鈦礦電池的降解。該實(shí)驗(yàn)通過積分短路電流的變化速率研究性能下降的動(dòng)態(tài)過程，有助于提高和改善鈣鈦礦薄膜電池的長期穩(wěn)定性，增強(qiáng)實(shí)用價(jià)值。

這一成果近期發(fā)表在Journal of Power Sources上，文章名“Light-current-induced acceleration of degradation of methylammonium lead iodide perovskite solar cells”

該文章是由深圳大學(xué)屈軍樂教授課題組完成，

本研究采用的是北京卓立漢光儀器有限公司 “Sirius” 系列太陽光模擬器和搭建的IPCE系統(tǒng)，如需了解該產(chǎn)品，歡迎咨詢我司。

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