優異熱穩定性+簡單的溶劑調控生長技術 製備高效率全無機鈣鈦礦太陽能電池

全無機鈣鈦礦太陽能電池是未來趨勢嗎?

競爭十分激烈的太陽能產業,新型鈣鈦礦太陽能電池正蓄勢待發地邁向商業化發展,預挑戰目前市占率最高的晶矽太陽能電池。鈣鈦礦太陽能電池光吸收率高、成本較晶矽電池低、可溶解在溶液中,再噴塗在基材上,其應用領域更勝於晶矽電池,若解決其穩定性跟遇熱衰退問題,未來商業發展指日可待!

大陸科學院半導體研究所 (CAS)游經碧教授,近期在全無機鈣鈦礦太陽能電池有全新進展,透過溶劑調控生長 (Solvent-controlled growth, SCG),研製出轉換效率高達15.7 %的全無機鹵化物鈣鈦礦電池:CsPbI3,碘化銫鉛。
研究成果題為“Solvent-controlled growth of inorganic perovskite films in dry environment for efficient and stable solar cells”發表在Nature Communicationsvolume 9, Article number: 2225 (2018) 
鈣鈦礦高發展潛力已是眾所皆知,有機-無機雜化鈣鈦礦電池的光電轉換效率從3.8 %躍升到22.7 %,有機離子易揮發、遇熱易衰退的特性,大幅限制了器件的穩定性。
由於太陽能電池在長時間日照曝曬後,器件溫度上升易導致光轉換效率下降,因此,提升材料的熱穩定性是光伏器件研發的重要關鍵!

優異熱穩定性+簡單的溶劑調控生長技術SCG=製備出高品質、高穩定、高效率15.7%

上圖:通過溶劑控制生長(SCG)方法製備CsPbI3-鈣鈦礦薄膜程式示意圖(圖片摘自論文)

相較於有機鈣鈦礦材料,純無機銫鉛鹵化物鈣鈦礦材料,擁有優異的熱穩定性,成為商業化鈣鈦礦太陽能電池研發的趨勢。常用的無機銫鉛鹵化物鈣鈦礦是就是碘化銫鉛CsPbI3。CsPbI3的帶隙為1.73eV,非常適合與窄帶隙鈣鈦礦或矽製成高效的串聯太陽能電池。然而,CsPbI3存在兩個相位:一個是高溫α相(黑相)、另一個是低溫相(黃相),在潮濕的環境下,CsPbI3的α相(黑相)會轉變為非光敏相(黃相),其相位不穩定是造成器件性能大幅衰退的主因。

已有不少研究透過穩定的α相位CsPbI3,製備出高校的太陽能電池,例如,以鎳 (Br)部分取代碘 (I2)製備CsPbI2Br或CsPbIBr2鈣鈦礦結構以減少晶體尺寸;或者ABX3鈣鈦礦結構參雜B位元元素等方式,已大幅提升無機鈣鈦礦太陽能電池的效率超過13 %。

儘管如此,CsPbI3鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率仍有很大的空間;提升效率的兩大關鍵在於:
● 穩定的α相位CsPbI3薄膜。
● 高品質的CsPbI3層;若在活性層內有太多的針孔和晶粒邊界,會造成嚴重的複合因而降低器件的效能。
游經碧教授團隊採用了簡單的溶劑調控生長方法,製備出高品質α相CsPbI3鈣鈦礦薄膜。為了避免CsPbI3薄膜發生相變,意即在潮濕的環境下,黑相轉變為非光敏相(黃相),該團隊在乾燥的氮氣環境下處理CsPbI3鈣鈦礦薄膜,並獲得了穩定的α相CsPbI3。

採用高品質且穩定的α相CsPbI3作為太陽能電池器件的吸收層,最終獲得15.7 %光電轉換效率(Newport 認證效率為14.67 %),是目前全世界已知的全無機鈣鈦礦電池的最高效率!此外,此CsPbI3鈣鈦礦薄膜在持續光照500小時下,轉換效率毫無衰減,成功解決無機鈣鈦礦材料吸光範圍較窄,在光電轉換效率限制下的挑戰。


圖(b) CsPbI 3前驅體薄膜歸一化吸收光譜(前後比較是否使用SCG方法);圖(c) CsPbI 3前驅體薄膜X射線衍射(XRD)圖(前後比較是否使用SCG方法);圖(d)~(f) CsPbI 3前驅體和薄膜的SEM(圖片摘自論文)

上圖:在乾燥氮氣環境中α-CsPbI3薄膜的相穩定性(圖片摘自論文)
圖(a) CsPbI 3薄膜XRD(0天和7天的對比);圖(b) CsPbI 3薄膜吸收光譜(0天和7天的對比);圖(c) CsPbI 3薄膜圖(0天和7天、60天的對比)

AAA等級的太陽光模擬器,搭配測量EQE必備的QE-R系統 量測速度快且穩定
游經碧教授團隊進行CsPbI3無機鈣鈦礦電池器件測量,採用光焱科技Enli Tech的SS-3A-F5太陽光模擬器,在1個sun(100mW/cm2)連續500小時的光照下測量器件光穩;同時亦使用光焱科技QE-R EQE 測量系統,獲得其光電轉換效率高達15.7%。


對於研究團隊而言,採用光焱科技3A等級高光穩的太陽光模擬器,除了擁有高精度光強度調整功能外,其自由調整出光方向的設計,研究學者能隨著的實驗需求調整出光方向;此外,QE-R EQE量測系統的獨家配備雙光路雙鎖相放大器設計,大幅提升了量測結果的準確性與重複性,並幫助研究團隊在測試中,提供極佳的信噪比,以最快且最穩定的量測速度,測得CsPbI 3無機鈣鈦礦電池器件的最高效率。


上圖: CsPbI3薄膜的性能特性(圖片摘自論文)


上圖: CsPbI3無機鈣鈦礦電池器件光穩特性。(圖片摘自論文)
圖(a) 持續一個太陽光(100mW/cm2)光照下器件光穩測試; 圖(b) 不同光照時間,器件JV性能曲線。


全無機鈣鈦礦電池是未來趨勢嗎?
答案是肯定的! 
現在愈來愈多科學團隊對無機鈣鈦礦電池寄予厚望,在游經碧教授團隊的努力下,成功解決了CsPbI3相變問題,並運用簡單溶劑調控生長程式,製備出高品質的CsPbI3吸收層;此外,團隊亦將SCG方法應用在CsPbI2Br、CsPb(I0.85Br0.15)3-、CsPbBr3-based鈣太礦太陽電池,並分別獲得14.21 %、16.14 %和9.81 %的轉換效率。這些結果表明,透過SCG’製備方法可普遍獲得高質量的無機鈣太礦。此外,若未來可以持續地解決控制接觸面和缺陷,使CsPbI3,鈣鈦礦電池的開路電壓達到1.3V,則可期待轉換效率突破20 %,以逐漸實現太陽能產業追求「黃金三角」:高效率、低成本、壽命長三大要素,邁向商業化發展的藍圖,並將有助於未來商業與大規模太陽能產業發展。


論文原文:Solvent-controlledgrowth of inorganic perovskite films in dry environment for efficient andstable solar cells, Pengyang Wang, Xingwang Zhang, Yuqin Zhou, Qi Jiang, Qiufeng Ye, Zema Chu1, Xingxing Li, Xiaolei Yang, Zhigang Yin & Jingbi You
Nature Communicationsvolume 9, Article number: 2225 (2018)

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