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材料学院太阳能材料与器件课题组揭示SnF2添加剂在高效窄带隙锡-铅混合钙钛矿太阳电池中作用机制

时间:2021-08-02  来源:材料学院   作者: 

近日,我校材料学院太阳能材料与器件课题组与瑞士联邦材料科学与技术研究所(Empa)合作,在窄带隙锡(Sn)-铅(Pb)混合钙钛矿薄膜太阳电池中添加剂SnF2作用机理研究方面取得了重要进展,相关成果“Unveiling Roles of Tin Fluoride Additives in High-Efficiency Low-Bandgap Mixed Tin-Lead Perovskite Solar Cells”以四川大学为第一单位发表在国际期刊Advanced Energy Materials上。该论文的共同第一作者为四川大学材料科学与工程学院2018级硕士研究生陈麒宇与2020级硕士研究生罗锦程,通讯作者为四川大学材料科学与工程学院任胜强专职博士后、赵德威特聘研究员和瑞士Empa付帆博士(研究员)。

窄带隙锡-铅混合钙钛矿因禁带宽度接近太阳电池理想带隙,并且结合宽带隙钙钛矿太阳电池构建全钙钛矿叠层太阳电池,有望打破单结太阳电池肖克利-奎伊瑟理论效率极限,因此备受关注。然而,窄带隙锡-铅混合钙钛矿中锡易氧化导致薄膜内部缺陷多,结晶速率快造成薄膜质量差等问题,导致电池的效率远未达到预期。氟化亚锡(SnF2)是有效提升窄带隙锡-铅混合钙钛矿太阳电池的必备的添加剂,但它在窄带隙钙钛矿薄膜和相应器件中的作用机理仍然缺乏系统认知。该工作揭示了SnF2添加剂在窄带隙 (FASnI3)0.6(MAPbI3)0.4薄膜和相应太阳电池中的作用。一方面,SnF2添加剂能够调控锡-铅混合钙钛矿薄膜的生长,促使其取向拓扑生长,提升结晶度;另一方面,SnF2的掺入能够抑制Sn2+的氧化,降低Sn空位浓度,从而提升载流子寿命,减少载流子的非辐射复合损失。此外,该工作还发现在较高SnF2浓度下,F-会优先聚集在空穴传输层/钙钛矿界面,导致额外的缺陷,影响光生载流子的输运与收集,将薄膜性质与器件性能关联性建立起来。研究者进一步优化SnF2浓度,实现了20.27%的窄带隙锡-铅混合钙钛矿太阳电池,该效率是目前文献报道窄带隙锡-铅混合钙钛矿太阳电池的较高水平之一。此项研究为进一步认知窄带隙锡-铅混合钙钛矿中,添加剂和多种添加剂之间的协同作用,以及获得更高效窄带隙锡-铅混合钙钛矿太阳电池和全钙钛矿叠层太阳电池提供了帮助。

上述研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金委、四川省科技计划项目、中央高校基本科研业务费专项资金、四川大学工科特色团队项目及江苏省自然科学基金资助。

原文链接:“Unveiling Roles of Tin Fluoride Additives in High-Efficiency Low-Bandgap Mixed Tin-Lead Perovskite Solar Cells”https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202101045

 


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