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          提供提高轉(zhuǎn)換效率的途徑:?jiǎn)纹}鈦礦疊層太陽(yáng)能電池(轉(zhuǎn))
          發(fā)布時(shí)間:2020-10-28     作者:wyf   分享到:

          提供提高轉(zhuǎn)換效率的途徑:?jiǎn)纹}鈦礦疊層太陽(yáng)能電池(轉(zhuǎn))


          單片全鈣鈦礦疊層太陽(yáng)能電池提供了一種提高轉(zhuǎn)換效率的途徑,超越了單結(jié)電池的限制。將效率、均勻性和穩(wěn)定性結(jié)合在一起是一個(gè)重要的優(yōu)先事項(xiàng),但在窄帶隙混合鉛錫鈣鈦礦子電池中,由于缺陷密度高且易于氧化,因此實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)具有挑戰(zhàn)性。還原表面錨定兩性離子分子同時(shí)提升效率,均勻性和窄帶隙子電池穩(wěn)定性。兩性離子抗氧化劑可**Sn2+氧化和鈍化混合鉛錫鈣鈦礦膜晶粒表面的缺陷,使單結(jié)太陽(yáng)能電池的效率達(dá)到21.7%(認(rèn)證為20.7%)。在1 cm2的全鈣鈦礦疊層電池中,進(jìn)一步獲得了24.2%的認(rèn)證效率,在0.049 cm212 cm2器件中,實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的轉(zhuǎn)換效率分別為25.6%21.4%。在環(huán)境條件、一個(gè)太陽(yáng)光照下,在器件溫度54-60℃下運(yùn)行500小時(shí)后,封裝的疊層器件可保持其初始性能的88%。

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          甲脒亞磺酸(FSA)的鉛錫混合窄帶隙鈣鈦礦膜的表征。

          a. FSA處理的混合鉛錫鈣鈦礦膜在晶粒表面(包括膜面和晶界)抗氧化和缺陷鈍化示意圖。A位點(diǎn)代表鈣鈦礦中的一價(jià)陽(yáng)離子。b. (PbI2 -SnI2)/FSA膜的XRD。垂直虛線表示混合PbI2-SnI2薄膜的衍射峰位置。c. 控制組和FSA鈣鈦礦膜的XRD。d. 控制組和FSA鈣鈦礦膜的S 2p XPS光譜。e. 控制組和FSA鈣鈦礦膜暴露在空氣中約10分鐘后的Sn 3d5/2 XPS光譜。

          純鉛PSCs在效率、穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性方面同時(shí)取得了進(jìn)步。對(duì)于全鈣鈦礦疊層太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō),實(shí)現(xiàn)這種結(jié)合仍然是一個(gè)重要的優(yōu)先事項(xiàng),但由于鉛錫混合窄帶隙子電池的研究中,這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)受到了限制;旌香U錫鈣鈦礦中載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度已提高到幾微米,但其在太陽(yáng)能電池中的效率仍在或低于~21%0(其理論PCE**與鉛PSCs相當(dāng));旌香U錫鈣鈦礦的方法必須解決Sn2+氧化的問(wèn)題,發(fā)生在薄膜結(jié)晶之前,期間和之后,甚至在低濃度的氧環(huán)境下。目前研究了抗氧化添加劑,如SnF2、SnF2-吡嗪配合物和羥基苯磺酸,以降低純錫和混合鉛錫鈣鈦礦中與Sn2+氧化相關(guān)的缺陷密度。例如,錫配比解決了混合Pb錫鈣鈦礦油墨結(jié)晶前的Sn2+氧化問(wèn)題。的研究表明,即使在結(jié)晶過(guò)程中,Sn2+也會(huì)被氧化,這是由于在材料加工過(guò)程中溶劑的作用。這就要求在混合的Pb-Sn鈣鈦礦膜的結(jié)晶過(guò)程中,以及隨后的結(jié)晶過(guò)程中,都要有應(yīng)對(duì)Sn2+氧化的策略。

           

          制造**含錫鈣鈦礦的另一個(gè)挑戰(zhàn)來(lái)自于它們的不均勻形核和快速結(jié)晶。這導(dǎo)致了混合的Pb、Sn鈣鈦礦薄膜中缺陷態(tài)密度較高,以及在大襯底上生長(zhǎng)時(shí)薄膜質(zhì)量的不均勻性。缺陷晶粒表面易產(chǎn)生陷阱和Sn2+氧化,這不利于混合鉛錫PSCs和全鈣鈦礦疊層的穩(wěn)定性、效率和規(guī);。

          如果在成膜過(guò)程中使晶粒表面的缺陷鈍化,并使表面錨定的鈍化分子強(qiáng)烈還原以**Sn2+氧化,則混合的鉛錫鈣鈦礦的質(zhì)量和穩(wěn)定性可以同時(shí)得到改善。如果還原鈍化分子能夠調(diào)節(jié)結(jié)晶過(guò)程,薄膜的均勻性將得到改善。

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          FSAPb-Sn窄帶隙鈣鈦礦膜的載流子動(dòng)力學(xué)與均勻性。

          在玻璃基板上沉積的控制組和FSA鈣鈦礦膜的穩(wěn)態(tài)PL光譜(a)和時(shí)間分辨PL衰變(b)。c. 800 nm波長(zhǎng)的不同影響的90 fs光脈沖激發(fā)后測(cè)量的FSA鈣鈦礦膜瞬態(tài)飛秒OPTP。對(duì)沉積在玻璃基板(尺寸為2.5×2.5 cm2)上的控制組和FSA薄膜的PL強(qiáng)度成像(e)和放大微米的PL成像(f)

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          Pb-Sn混合窄帶隙太陽(yáng)能電池的光伏性能。

          a. 比較控制組和FSA窄帶隙太陽(yáng)能電池(面積為0.049 cm2)在相同運(yùn)行時(shí)間(每種類型26個(gè)器件)的光伏性能。反掃描下FSA太陽(yáng)能電池的J-V曲線。c. FSA器件相應(yīng)的EQE光譜,積分電流Jsc31.5 mA cm?2d. AM1.5G和寬帶隙鈣鈦礦濾波照明下測(cè)量的控制組器件和FSA器件(面積,1.05 cm2)J-V曲線。e. 24個(gè)對(duì)照組和47個(gè)FSA太陽(yáng)能電池(面積1.05 cm2)PCEs柱狀圖,平均PCEs分別為13.9±1.0%17.5±0.8%

          Newport測(cè)量的鉛錫混合窄帶隙鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的認(rèn)證結(jié)果。

          經(jīng)認(rèn)證的PCE20.74%,具有低回滯(正向掃描:Voc=0.842 V, Jsc=30.59mA cm-2, FF=80.1%, PCE=20.63%;反向掃描: Voc=0.839 V, Jsc=30.63mA cm-2, FF=81.1%PCE=20.84%)。

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          單片鈣鈦礦疊層太陽(yáng)能電池的光伏性能。

          a, b. 全鈣鈦礦疊層太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)示意圖(a)和橫截面掃描電鏡圖像(b)。c. 控制組和FSA器件太陽(yáng)能電池的J-V曲線(面積,1.05 cm2)。d. FSA設(shè)備的EQE曲線。前后子電池的Jsc積分電流分別為16.115.7 mA cm?2e.  36個(gè)對(duì)照組和40個(gè)FSA疊層太陽(yáng)能電池(1.05 cm2)PCEs柱狀圖。平均PCEs分別為21.1±0.7%23.9±0.6%。f. 面積為0.049 cm2FSA疊層器件的J-V曲線。g. 穩(wěn)定的功率輸出的FSA疊層電池(0.049 cm2)。插圖為63個(gè)器件PCE分布,平均PCE 24.6±0.4%。h. FSA器件的EQE曲線(0.049 cm2)。前后子電池的Jsc積分電流分別為16.116.0 mA cm?2。i. 面積為12 cm2FSA疊層電池的J-V曲線。插圖顯示相應(yīng)器件的照片。反掃PCE21.4%,Voc1.958 V, Jsc14.8 mA cm?2,FF73.8%。

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          全鈣鈦礦疊層太陽(yáng)能電池的大氣環(huán)境和運(yùn)行穩(wěn)定性。a.未封裝疊層太陽(yáng)能電池儲(chǔ)存在濕度約為20%的干燥環(huán)境空氣下的光伏性能變化。b. 在濕度為30-50%的環(huán)境空氣中,在完全模擬的AM1.5G光照條件下(100 mW cm?2, Xe燈模擬器)連續(xù)追蹤封裝疊層太陽(yáng)能電池500小時(shí)以上的MPP。對(duì)照組/ ALD-SnO2、FSA/BCPFSA/ ALD-SnO2初始PCEs分別為21.8%24.3%24.4%。由于太陽(yáng)能照明下的發(fā)熱,器件運(yùn)行時(shí)溫度在54-60℃左右。設(shè)備運(yùn)行無(wú)被動(dòng)冷卻,環(huán)境溫度保持在25℃左右。面積為1.05 cm2。

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