中国科大胡芹团队梯度锗掺杂高效同质结锡基钙钛矿太阳能电池突破

-本研究相關參數圖表，整理至文末處-

摘要

锡基钙钛矿太阳能电池 (PSCs) 作为一种具有巨大潜力的无铅光伏技术，其发展受到 p 型自掺杂、高缺陷密度和非辐射複合等因素的限制。近期，中国科学技术大学微电子学院胡芹特任研究员团队在《纳米快报》上发表了一项重要研究成果，他们通过梯度锗掺杂构建了锡基钙钛矿同质结结构，有效抑制了自掺杂效应，并大幅提升了器件的效率和稳定性，为锡基 PSCs 的发展开闢了新的道路。
 
光焱科技设备的应用

该研究使用了光焱科技 (Enlitech) 的 QE-R_PV/太阳能电池量子效率测量系统进行器件的 EQE 光谱测量，并获得了 IPCE (入射光子-电子转换效率) 数据。 QE-R 系统具有以下特色优势：

l  适用于各种太阳能电池测试: QE-R 系统不仅适用于单结太阳能电池测试，还适用于串联太阳能电池测试，包括钙钛矿太阳能电池、有机太阳能电池、硅异质结 (HJT) 电池、TOP-Con 电池、铜铟镓硒 (CIGS) 电池等多种类型的电池。

l  宽波长范围: QE-R 系统提供 3001800 nm、300~2500 nm 或客製化的波长范围，满足不同材料和器件的测试需求。

l  提供多种数据: QE-R 系统能够提供 QE（量子效率）、PV-EQE（外部量子效率）、IPCE（入射光子-电子转换效率）、SR（光谱响应）、IQE（内部量子效率）、反射率等多种数据，为研究提供全面的信息。

l  高重複性: QE-R 系统结构紧凑，重复性高，超过 99.5%，确保了测量的准确性和可靠性。

l  符合多种标准: QE-R 系统符合 ATSM E 1021-15, ASTM E948, IEC 60904-8, IEC 60904-7, IEC 60904-1 等多种标准，确保了测量的规范性和可比性。

研究背景与核心概念

p 型自掺杂是阻碍锡基钙钛矿发展高性能太阳能电池的主要因素之一，它会增加背景电流密度，并加剧载流子復合过程。该研究提出了一种基于梯度锗掺杂的同质结结构，该结构在钙钛矿薄膜内部产生内建电场，有效地耗尽了电荷载流子，从而降低了暗电流密度和陷阱密度。

研究方法与主要发现

研究团队利用多种先进技术和设备对钙钛矿薄膜和器件进行了深入分析，包括：

密度泛函理论 (DFT) 计算: 研究人员利用 DFT 计算揭示了同质结的形成机制，并分析了锗掺杂对钙钛矿薄膜能级结构的影响。

X 射线光电子能谱 (XPS): XPS 用于分析钙钛矿薄膜中锗元素的分布和化学状态，验证了梯度掺杂的形成。

开尔文探针力显微镜 (KPFM): KPFM 用于测量钙钛矿薄膜的表面电势，证实了同质结结构的形成。

紫外光电子能谱 (UPS): UPS 用于分析钙钛矿薄膜的能级结构，研究了锗掺杂对能级的影响。

X 射线衍射 (XRD): XRD 用于分析钙钛矿薄膜的结晶度和晶体结构，研究了锗掺杂对晶格的影响。

光致发光 (PL) 光谱 和 瞬态光致发光 (TRPL): PL 光谱和 TRPL 用于研究钙钛矿薄膜的激发态动力学和非辐射复合过程。

电流-电压 (J-V) 特性测试: 研究人员利用 J-V 特性测试评估了 PSCs 的光电转换效率和其他关键参数。

研究发现，梯度锗掺杂构建的同质结结构有效地降低了锡基钙钛矿薄膜的暗电流密度两个数量级，并将陷阱密度降低了一个数量级。基于该结构的锡基 PSCs，其功率转换效率 (PCE) 达到了 13.3%，并展现出优异的稳定性，在连续光照 250 分钟后仍能保持 95% 的初始效率，在储存 3800 小时后仍能保持 85% 的初始效率。

研究结果与讨论
研究结果表明，氟化可以降低 Spiro-OMeTAD 的 HOMO 和 LUMO 能级，并拓宽其光学带隙，有利于提高器件的开路电压 (Voc) 和短路电流密度 (Jsc)。此外，氟化还能增强 HTM 的疏水性，提高器件的耐湿性。

基于 Spiro-mF 的 PSCs 实现了 24.82% 的高效率 (认证效率 24.64%)，电压损失仅为 0.3 V，是目前报道的 PSCs 中低的电压损失。这表明 Spiro-mF 能够有效地提取空穴并抑制非辐射复合。

此外，Spiro-mF 基器件还展现出优异的稳定性。在 50% 相对湿度环境下，未封装的 Spiro-mF 基器件在 500 小时后仍能保持 87% 的初始效率，而 Spiro-OMeTAD 基器件的效率则下降到 60%。

分子动力学模拟结果表明，Spiro-mF 比 Spiro-oF 和 Spiro-OMeTAD 更容易吸附在钙钛矿表面，并且其芴单元更容易与钙钛矿表面接触。Spiro-mF 在钙钛矿表面形成层状堆积结构，空穴传输积分更高，更有利于空穴传输。

结论与展望

该研究通过梯度锗掺杂成功地构建了高效稳定的锡基钙钛矿同质结太阳能电池，为锡基 PSCs 的发展提供了新的策略。 这项研究不仅揭示了同质结形成的微观机制，也为设计新型无铅钙钛矿光电器件提供了新的思路。 未来，研究人员可以进一步探索其他掺杂元素和同质结结构，开发出更高效、更稳定、更环保的无铅 PSCs，为可再生能源的发展做出贡献。

本文參數圖:

Fig S1._图a:

n   展示了不同Gel掺杂浓度（1%，5%，10%）对设备性能的影响。

n   控制组（Control）与三个掺杂组的电流密度随电压变化。

n   随着Gel掺杂浓度的增加，电流密度在一定电压范围内有所提高。

图b:

n   展示了目标设备在正向扫描（Forward Scan）和反向扫描（Reverse Scan）时的性能。

n   两条曲线几乎重合，表明扫描方向对设备性能影响不大。

l  IPCE（入射光子转电子效率）光谱图。图中展示了两组样本：控制组和含有5%凝胶的目标组。

l  控制组和含5%凝胶的样本在600-800纳米波长范围内，IPCE有显著提高。

l  提高的原因是在钙钛矿顶层表面和电荷载流子传输层之间的非辐射复合减少。

   这表明添加5%凝胶可能改善了电池的电荷传输效率，从而提高了太阳能电池的性能。

原文出处: Nano Lett. 2024, 24, 18, 5513–5520

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具有以下特色优势：

l  高精度: QE-R 系统采用高精度光谱仪和校准光源，确保 EQE 测量的准确性和可靠性。

l  宽光谱范围: QE-R 系统的光谱范围复盖紫外到近红外区域，适用于各种光伏材料和器件的 EQE 测量。

l  快速测量: QE-R 系统具有快速扫描和数据采集功能，能够高效地进行 EQE 光谱测量。

l  易于操作: QE-R 系统软件界面友好，操作简单方便，即使是初学者也能轻松上手。

多功能: QE-R 系统不仅可以进行 EQE 测量，还可以进行反射率、透射率等光学特性的测量，具有多功能性。