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摘要
錫基鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs) 作為一種具有巨大潛力的無鉛光伏技術(shù)，其發(fā)展受到 p 型自摻雜、高缺陷密度和非輻射複合等因素的限制。近期，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微電子學(xué)院胡芹特任研究員團(tuán)隊(duì)在《納米快報(bào)》上發(fā)表了一項(xiàng)重要研究成果，他們通過梯度鍺摻雜構(gòu)建了錫基鈣鈦礦同質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，有效抑制了自摻雜效應(yīng)，并大幅提升了器件的效率和穩(wěn)定性，為錫基 PSCs 的發(fā)展開闢了新的道路。
光焱科技設(shè)備的應(yīng)用
該研究使用了光焱科技 (Enlitech) 的 QE-R_PV/太陽能電池量子效率測量系統(tǒng)進(jìn)行器件的 EQE 光譜測量，并獲得了 IPCE (入射光子-電子轉(zhuǎn)換效率) 數(shù)據(jù)。 QE-R 系統(tǒng)具有以下特色優(yōu)勢：
l 適用于各種太陽能電池測試: QE-R 系統(tǒng)不僅適用于單結(jié)太陽能電池測試，還適用于串聯(lián)太陽能電池測試，包括鈣鈦礦太陽能電池、有機(jī)太陽能電池、硅異質(zhì)結(jié) (HJT) 電池、TOP-Con 電池、銅銦鎵硒 (CIGS) 電池等多種類型的電池。
l 寬波長范圍: QE-R 系統(tǒng)提供 3001800 nm、300~2500 nm 或客製化的波長范圍，滿足不同材料和器件的測試需求。
l 提供多種數(shù)據(jù): QE-R 系統(tǒng)能夠提供 QE（量子效率）、PV-EQE（外部量子效率）、IPCE（入射光子-電子轉(zhuǎn)換效率）、SR（光譜響應(yīng)）、IQE（內(nèi)部量子效率）、反射率等多種數(shù)據(jù)，為研究提供全面的信息。
l 高重複性: QE-R 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，重復(fù)性高，超過 99.5%，確保了測量的準(zhǔn)確性和可靠性。
l 符合多種標(biāo)準(zhǔn): QE-R 系統(tǒng)符合 ATSM E 1021-15, ASTM E948, IEC 60904-8, IEC 60904-7, IEC 60904-1 等多種標(biāo)準(zhǔn)，確保了測量的規(guī)范性和可比性。
研究背景與核心概念
p 型自摻雜是阻礙錫基鈣鈦礦發(fā)展高性能太陽能電池的主要因素之一，它會增加背景電流密度，并加劇載流子復(fù)合過程。該研究提出了一種基于梯度鍺摻雜的同質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在鈣鈦礦薄膜內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)建電場，有效地耗盡了電荷載流子，從而降低了暗電流密度和陷阱密度。
研究方法與主要發(fā)現(xiàn)
研究團(tuán)隊(duì)利用多種先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備對鈣鈦礦薄膜和器件進(jìn)行了深入分析，包括：
密度泛函理論 (DFT) 計(jì)算: 研究人員利用 DFT 計(jì)算揭示了同質(zhì)結(jié)的形成機(jī)制，并分析了鍺摻雜對鈣鈦礦薄膜能級結(jié)構(gòu)的影響。
X 射線光電子能譜 (XPS): XPS 用于分析鈣鈦礦薄膜中鍺元素的分布和化學(xué)狀態(tài)，驗(yàn)證了梯度摻雜的形成。
開爾文探針力顯微鏡 (KPFM): KPFM 用于測量鈣鈦礦薄膜的表面電勢，證實(shí)了同質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的形成。
紫外光電子能譜 (UPS): UPS 用于分析鈣鈦礦薄膜的能級結(jié)構(gòu)，研究了鍺摻雜對能級的影響。
X 射線衍射 (XRD): XRD 用于分析鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶度和晶體結(jié)構(gòu)，研究了鍺摻雜對晶格的影響。
光致發(fā)光 (PL) 光譜 和 瞬態(tài)光致發(fā)光 (TRPL): PL 光譜和 TRPL 用于研究鈣鈦礦薄膜的激發(fā)態(tài)動力學(xué)和非輻射復(fù)合過程。
電流-電壓 (J-V) 特性測試: 研究人員利用 J-V 特性測試評估了 PSCs 的光電轉(zhuǎn)換效率和其他關(guān)鍵參數(shù)。
研究發(fā)現(xiàn)，梯度鍺摻雜構(gòu)建的同質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)有效地降低了錫基鈣鈦礦薄膜的暗電流密度兩個(gè)數(shù)量級，并將陷阱密度降低了一個(gè)數(shù)量級。基于該結(jié)構(gòu)的錫基 PSCs，其功率轉(zhuǎn)換效率 (PCE) 達(dá)到了 13.3%，并展現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性，在連續(xù)光照 250 分鐘后仍能保持 95% 的初始效率，在儲存 3800 小時(shí)后仍能保持 85% 的初始效率。
研究結(jié)果與討論
研究結(jié)果表明，氟化可以降低 Spiro-OMeTAD 的 HOMO 和 LUMO 能級，并拓寬其光學(xué)帶隙，有利于提高器件的開路電壓 (Voc) 和短路電流密度 (Jsc)。此外，氟化還能增強(qiáng) HTM 的疏水性，提高器件的耐濕性。
基于 Spiro-mF 的 PSCs 實(shí)現(xiàn)了 24.82% 的高效率 (認(rèn)證效率 24.64%)，電壓損失僅為 0.3 V，是目前報(bào)道的 PSCs 中低的電壓損失。這表明 Spiro-mF 能夠有效地提取空穴并抑制非輻射復(fù)合。
此外，Spiro-mF 基器件還展現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。在 50% 相對濕度環(huán)境下，未封裝的 Spiro-mF 基器件在 500 小時(shí)后仍能保持 87% 的初始效率，而 Spiro-OMeTAD 基器件的效率則下降到 60%。
分子動力學(xué)模擬結(jié)果表明，Spiro-mF 比 Spiro-oF 和 Spiro-OMeTAD 更容易吸附在鈣鈦礦表面，并且其芴單元更容易與鈣鈦礦表面接觸。Spiro-mF 在鈣鈦礦表面形成層狀堆積結(jié)構(gòu)，空穴傳輸積分更高，更有利于空穴傳輸。
結(jié)論與展望
該研究通過梯度鍺摻雜成功地構(gòu)建了高效穩(wěn)定的錫基鈣鈦礦同質(zhì)結(jié)太陽能電池，為錫基 PSCs 的發(fā)展提供了新的策略。 這項(xiàng)研究不僅揭示了同質(zhì)結(jié)形成的微觀機(jī)制，也為設(shè)計(jì)新型無鉛鈣鈦礦光電器件提供了新的思路。 未來，研究人員可以進(jìn)一步探索其他摻雜元素和同質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，開發(fā)出更高效、更穩(wěn)定、更環(huán)保的無鉛 PSCs，為可再生能源的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。
本文參數(shù)圖:
Fig S1._圖a:
n 展示了不同Gel摻雜濃度（1%，5%，10%）對設(shè)備性能的影響。
n 控制組（Control）與三個(gè)摻雜組的電流密度隨電壓變化。
n 隨著Gel摻雜濃度的增加，電流密度在一定電壓范圍內(nèi)有所提高。
圖b:
n 展示了目標(biāo)設(shè)備在正向掃描（Forward Scan）和反向掃描（Reverse Scan）時(shí)的性能。
n 兩條曲線幾乎重合，表明掃描方向?qū)υO(shè)備性能影響不大。
l IPCE（入射光子轉(zhuǎn)電子效率）光譜圖。圖中展示了兩組樣本：控制組和含有5%凝膠的目標(biāo)組。
l 控制組和含5%凝膠的樣本在600-800納米波長范圍內(nèi)，IPCE有顯著提高。
l 提高的原因是在鈣鈦礦頂層表面和電荷載流子傳輸層之間的非輻射復(fù)合減少。
這表明添加5%凝膠可能改善了電池的電荷傳輸效率，從而提高了太陽能電池的性能。
原文出處: Nano Lett. 2024, 24, 18, 5513–5520
推薦設(shè)備_ QE-R_流行和值得信賴的 QE / IPCE 系統(tǒng)
具有以下特色優(yōu)勢：
l 高精度: QE-R 系統(tǒng)采用高精度光譜儀和校準(zhǔn)光源，確保 EQE 測量的準(zhǔn)確性和可靠性。
l 寬光譜范圍: QE-R 系統(tǒng)的光譜范圍復(fù)蓋紫外到近紅外區(qū)域，適用于各種光伏材料和器件的 EQE 測量。
l 快速測量: QE-R 系統(tǒng)具有快速掃描和數(shù)據(jù)采集功能，能夠高效地進(jìn)行 EQE 光譜測量。
l 易于操作: QE-R 系統(tǒng)軟件界面友好，操作簡單方便，即使是初學(xué)者也能輕松上手。
多功能: QE-R 系統(tǒng)不僅可以進(jìn)行 EQE 測量，還可以進(jìn)行反射率、透射率等光學(xué)特性的測量，具有多功能性。
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