科学背景
几十年来，单晶硅太阳能电池一直主导着光伏(PV)市场，近年来金属卤化物钙钛矿太阳能电池(PSCs)的认证功率转换效率(PCE)超过26%(单结)和33%(钙钛矿—硅串联)，已成为单晶硅太阳能电池有力的竞争者和串联对象。先前研究者们致力于提高PSCs 的效率。最近，随着采用低能耗和低成本工艺制造的 PSCs的效率开始赶超硅光伏电池，研究者们开始致力于提高其稳定性。随着钙钛矿光伏迈向商业化，必须与照明电池电流匹配的遮光电池中的反向偏压退化是一个严峻的挑战。
创新成果
基于此，美国华盛顿大学David S. Ginger教授团队在Nature Energy发表了题为“Improved reverse bias stability in p-i-n perovskite solar cells with optimized hole transport materials and less reactive electrodes”的论文，揭示了器件架构工程对钙钛矿太阳能电池的反向偏压行为有重大影响。通过施加约35 nm厚的共轭聚合物空穴传输层(HTLs)和电化学更稳定的背电极，可以导致击穿电压(Vrb)的急剧增加，得到的平均Vrb超过-15 V，这一数值与硅电池的Vrb相当。本研究提高Vrb的策略减少了保护部分遮光太阳能模块所需的旁路二极管的数量，这已被证明是硅太阳能电池板的有效策略。
研究人员首先使用混合阳离子、三卤化物钙钛矿Cs0.22FA0.78Pb(I0.85Br0.15)3和3 mol %的MAPbCl3添加剂制作了一个原始的p-i-n型PSC，研究了其反向偏置稳定性，并施加不同空穴传输层来研究不同击穿电压，并对其影响因素进行研究。
图1.原始p-i-n型钙钛矿太阳能电池中的反向偏置稳定性研究 © 2024 Springer Nature
图2.不同空穴传输层对Vrb的影响 © 2024 Springer Nature
图3.电化学稳定的Au电极对Vrb的影响 © 2024 Springer Nature
图4.反向偏置下的钙钛矿太阳能电池降解机制的示意图 © 2024 Springer Nature
科学启迪
综上，本研究揭示了可能影响p-i-n PSCs反向偏置行为的因素。结果表明，优化HTLs和金属电极对于防止PSCs的反向偏置驱动退化至关重要。即使使用活性银电极，使用坚固的PTAA HTLs也能将平均Vrb提高到-7.6 V，而基于MeO-2PACz的钙钛矿太阳能电池的平均Vrb为-1 V。通过用Au代替Ag对金属电极进行进一步优化，将平均Vrb扩展到超过-15 V。优化后的太阳能电池在黑暗和部分光照下在-7 V下应力9小时后表现出可恢复的性能损失，并且对多次循环应力测试具有良好的弹性。实验结果表明，在制造的钙钛矿p-i-n器件中实现高反向偏压稳定性的努力应侧重于(1)使用电化学惰性的电极;(2)使用在反向偏压下可以更稳健地阻挡空穴或电子注入的中间层。作者认为，可能影响这一过程的因素包括中间层的厚度、覆盖率、能级排列、态密度和介电常数;(3)优化钙钛矿层的制造以最小化缺陷/离子密度;(4)优化每个功能层的处理，以避免可能导致器件泄漏或分流的针孔或其他缺陷位点。本研究表明，通过设计钙钛矿和其他功能层来防止氧化还原反应，可以进一步提高钙钛矿光电子器件的反向偏压稳定性。
原文详情
Improved reverse bias stability in p-i-n perovskite solar cells with optimized hole transport materials and less reactive electrodes (Nat. Energy 2024, DOI: 10.1038/s41560-024-01600-z)
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