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太陽(yáng)光模擬器在鈣鈦礦太陽(yáng)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(yáng)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(zhǎng)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(Jsc)變化情況來研究電池性能退化動(dòng)力學(xué)(Drate)，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(PSCs)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%)(Jsc)約為21.4 mAcm-2，Voc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，Jsc 、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(Jsc)，評(píng)估性能下降動(dòng)力學(xué)(Drate)，下圖顯示了未封裝的PSCs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(zhǎng)敏感(藍(lán)色)，背面對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)敏感(紅色)，這是由于光的入射深度，水分?jǐn)U散到PSCs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PSCs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)，對(duì)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(Jdark)，但隨著偏壓加大，由于太陽(yáng)電池二極管特性，復(fù)合和擴(kuò)散的電流主要控制暗電流(Jdark)。光照IV測(cè)試后，Jrec和n2在光照IV測(cè)試后增加，較高的Jrec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。Jdiff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PSCs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dian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I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I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(zhǎng)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(yáng)光模擬器和搭建的IPCE系統(tǒng)
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