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鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSC）的改進(jìn)側(cè)重于提高其能量轉(zhuǎn)換效率（PCE）和運(yùn)行穩(wěn)定性，并在升級(jí)到模塊尺寸時(shí)保持高性能。實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換效率>23%的金屬鹵化物鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSC）的努力集中在富甲脒碘化鉛（FAPbI₃）配方，因?yàn)樗鼈兊膸侗燃卒@基或混合鹵化物鈣鈦更接近Shockley-Queisser的最佳。通過(guò)充分利用FAPBI₃的廣泛吸收光譜，為介孔結(jié)構(gòu)PSC獲得了25.21%、短路電流密度（J_sc）>26 mA/cm²的認(rèn)證PCE。然而，介孔-TiO₂（m-TiO₂）電子傳輸層（ETL）在紫外線（UV）光照下可能會(huì)表現(xiàn)出不必要的光催化效應(yīng)，m-TiO₂的低電子流動(dòng)性限制了電荷傳輸。

蔚山先進(jìn)能源技術(shù)研究開(kāi)發(fā)中心Dong Suk Kim和洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院Michael Gr?tzel（共同通訊作者）在Science上發(fā)表文章，Conformal quantum dot–SnO₂ layers as electron transporters for efficient perovskite solar cells。介孔二氧化鈦通常用作鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中的電子傳輸層，但基于氧化錫（IV）量子點(diǎn)的電子傳輸層可能更有效，具有更好的對(duì)齊導(dǎo)帶和更高的載流子流動(dòng)性。

作者引入了一種PSC的ETL結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由緊湊型TiO₂（c-TiO₂）阻斷層組成，覆蓋著一層薄層聚丙烯酸（PAA）穩(wěn)定的QD-SnO₂（paa-QD-SnO₂），以連續(xù)和共形的方式沉積在有紋理的FTO上。paa-QD-SnO₂@c-TiO₂的均勻雙層膜在很大程度上改善了鈣鈦礦對(duì)陽(yáng)光的吸收，并與鈣鈦礦薄膜形成了出色的電子選擇性接觸。量子尺寸效應(yīng)將QD-SnO₂的帶隙從3.6eV增加到~4 eV，并產(chǎn)生了相應(yīng)的導(dǎo)帶邊緣能量向上移動(dòng)。這種位移使其與鈣鈦礦的導(dǎo)帶邊緣很好地對(duì)齊，因此基于SnO₂的ETL的電子捕獲以最小的能量損失進(jìn)行。

PAA是一種聚合物粘合劑，添加到SnO₂ QD溶液中，將膠體QD-SnO₂牢固地連接到c-TiO₂表面，提供一個(gè)連續(xù)、薄和共形的SnO₂層，完全覆蓋下面的c-TiO₂層。PAA的羧基與金屬氧化物表面具有強(qiáng)氫鍵和共價(jià)鍵合，促進(jìn)了層壓過(guò)程，特別是大規(guī)模生產(chǎn)。

通過(guò)選擇具有適當(dāng)漫反射和透射率的FTO襯底，紋理paa-QD-SnO₂@c-TiO₂雙層膜使PCE達(dá)到25.7%（認(rèn)證為25.4%），J_sc為26.4 mA/cm²，相應(yīng)的PSC具有高穩(wěn)定性。作者進(jìn)一步證明，paa-QD-SnO2@c-TiO₂雙層可以應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)活動(dòng)面積高達(dá)64 cm²的大型PSC模塊，同時(shí)保持PCE>20%。

圖文詳情

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圖1. ETLs的微結(jié)構(gòu)

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圖2. PSCs的表征

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圖3. 大尺寸PSCs的性能

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圖4. 使用不同ETLs的PSCs的穩(wěn)定性

文獻(xiàn)信息

Kimet al., Conformal quantum dot–SnO2layers as electrontransporters for efficient perovskite solar cells. Science375, 302–306 (2022)

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abh1885

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