發(fā)表Science僅1年后，彭軍Nature再次刷新鈣鈦礦效率新記錄

2022.1.27

2021年1月22日，澳大利亞國立大學(xué)彭軍及其合作者在Science上發(fā)表了題為“Nanoscale localized contacts for high fill factors in polymer-passivated perovskite solar cells”—通過結(jié)合納米圖案的電子傳輸層與無摻雜空穴傳輸層，取得了21.6%（面積為1 cm²）的認(rèn)證效率。今日，該課題組發(fā)表Nature，1）提出了氮摻雜的氧化鈦電子輸運(yùn)層反摻雜制備工藝，除了生產(chǎn)高質(zhì)量的TiO_xN_y薄膜外，濺射已經(jīng)廣泛應(yīng)用于光伏和電子工業(yè)；2）1 cm²的鈣鈦礦太陽能電池的填充系數(shù)為86%，認(rèn)證穩(wěn)態(tài)效率為22.6%。

【主要內(nèi)容】

由于其效率和穩(wěn)定性的快速發(fā)展，鈣鈦礦太陽能電池處于新興光伏技術(shù)的前沿。最先進(jìn)的電池顯示電壓損失接近理論最小值和接近統(tǒng)一的內(nèi)部量子效率，但轉(zhuǎn)換效率受到填充因子的限制。這一限制是由于鈣鈦礦吸收體和電池電極之間的非理想電荷傳輸造成的。因此，降低電荷傳輸層的電串聯(lián)電阻是提高效率的關(guān)鍵。氮摻雜的氧化鈦(氧化氮化鈦，TiO_xN_y)被廣泛用于光催化，但很少用于鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)。加入溶液處理TiO_xN_y的PSCs已被報(bào)道，但器件性能沒有超過標(biāo)準(zhǔn)TiOx電子傳輸層(ETLs)的PSCs，因?yàn)閮?yōu)化金屬氧化物傳輸層性能所需的化學(xué)計(jì)量控制對溶液處理具有挑戰(zhàn)性。

鑒于此，第一作者彭軍及其合作者報(bào)告了一種反摻雜方法，通過在氧氣氛中使用受控退火溫度氧化濺射氮化鈦薄膜來生產(chǎn)高質(zhì)量的TiO_xN_y薄膜。除了生產(chǎn)高質(zhì)量的TiO_xN_y薄膜外，濺射已經(jīng)廣泛應(yīng)用于光伏和電子工業(yè)，因此是一種很有前途的PSCs商業(yè)制造的沉積方法。作者通過7種不同的退火條件制備TiO_xN_y薄膜以探索具有最佳物理和電子性能的退火工藝。結(jié)果表明，450°C以上退火的薄膜的高導(dǎo)電性和高光學(xué)透過率的，以這種方式生產(chǎn)的TiO_xN_y薄膜有潛力成為PSCs的高性能ETL。通過將這種電荷傳輸材料引入鈣鈦礦太陽能電池中，作者發(fā)現(xiàn)1 cm²的鈣鈦礦太陽能電池的填充系數(shù)為86%，平均填充系數(shù)為85.3%。1 cm²鈣鈦礦太陽電池22.6%的認(rèn)證效率(反向電流-電壓掃描為23.33%±0.58%)。氮?dú)庵形捶庋b的TiO_xN_y電池持續(xù)在1個(gè)太陽光照下照射250 h后，其穩(wěn)態(tài)PCE達(dá)到了~22.82%，保持了~98.7%的初始效率(~23.12%)。