暨大郭飛CEJ：FF 81%, Voc 1.32V! 天然色素互聯(lián)層提升鈣鈦礦/有機(jī)疊層太陽能電池性能

主要內(nèi)容

鈣鈦礦太陽能電池（Perovskite Solar Cells，PSCs）作為一種**潛力的新型太陽能電池技術(shù)，因其具有高光電轉(zhuǎn)換效率、低成本和易于制備等優(yōu)點(diǎn)，近年來受到了全球科研人員的廣泛關(guān)注，在推動可再生能源發(fā)展方面具有重要意義。然而，要進(jìn)一步提升其性能和穩(wěn)定性，陰極界面層（Cathode Interfacial Layer，CIL）的優(yōu)化起著關(guān)鍵作用。

為探尋低成本、環(huán)保且高效的陰極界面材料（Cathode Interfacial Materials，CIMs），由查爾姆斯理工大學(xué)Ergang Wang教授、暨南大學(xué)新能源技術(shù)研究院郭飛研究員，以及貴州大學(xué)張斌教授與呂夢嵐教授強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊展開深入研究。他們創(chuàng)新性地選用一種天然色素——紫膠色素（laccaic acid，LA）作為陰極界面層材料，致力于構(gòu)建高性能鈣鈦礦太陽能電池。這里涉及的功函數(shù)是指材料表面電子逸出所需的最小能量，歐姆接觸則是指具有線性電流 - 電壓特性的接觸，能保證電流順暢通過，降低能量損耗。

研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，當(dāng)引入LA陰極界面層后，LA分子與銀陰極表面發(fā)生相互作用，改變了銀表面的電子分布狀態(tài)，使得銀陰極的功函數(shù)顯著降低。功函數(shù)的降低就如同降低了電子從銀陰極逸出的“門檻”，從而形成了更為理想的界面歐姆接觸。這種改變有效促進(jìn)了電子從鈣鈦礦層向銀陰極的傳輸，大幅抑制了電荷在界面處的復(fù)合和能量損失。

基于上述作用，在1.77 eV寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池（Wide Bandgap Perovskite Solar Cells，WBG PSCs）中，其光伏性能得到顯著提升。該電池的開路電壓（Open-Circuit Voltage，Voc）高達(dá)1.32 V，填充因子（Fill Factor，F(xiàn)F）達(dá)81%，光電轉(zhuǎn)換效率更是達(dá)到了18.48%。與同類型未引入LA陰極界面層的電池相比，光電轉(zhuǎn)換效率有了明顯提高，這表明LA陰極界面層對提升電池性能具有顯著效果。

值得一提的是，LA的應(yīng)用潛力不止于此。在鈣鈦礦/有機(jī)疊層太陽能電池（Tandem Organic-Perovskite Solar Cells，TOPSCs）中，LA可作為互聯(lián)層（Interconnect Layer，ICL）發(fā)揮重要作用。在這類電池里，LA的引入使得光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)23.51%，開路電壓達(dá)2.15 V。目前，在已報道的鈣鈦礦/有機(jī)疊層太陽能電池研究中，這一開路電壓值處于領(lǐng)先水平，充分體現(xiàn)了LA在該領(lǐng)域的優(yōu)勢。

研究團(tuán)隊的研究表明，這種天然色素（紫膠色素，LA）可作為寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池和鈣鈦礦/有機(jī)疊層太陽能電池的高效陰極界面層材料。LA陰極界面層的引入，不僅使銀陰極的功函數(shù)顯著降低，形成了可匹配的界面歐姆接觸，促進(jìn)了電子傳輸，還能有效減緩界面復(fù)合和能量損失，協(xié)同提升鈣鈦礦太陽能電池的開路電壓和填充因子。LA在寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池和鈣鈦礦/有機(jī)疊層太陽能電池中作為陰極界面層均表現(xiàn)出優(yōu)異的適用性：寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)18.48%，開路電壓高達(dá)1.32 V，填充因子達(dá)81%；鈣鈦礦/有機(jī)疊層太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)23.51%，開路電壓為2.15 V。這些高開路電壓、高填充因子和高光電轉(zhuǎn)換效率值在基于1.77 eV帶隙的寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池和鈣鈦礦/有機(jī)疊層太陽能電池中均處于領(lǐng)先地位。此外，LA陰極界面層的引入還顯著提升了這兩類電池的器件穩(wěn)定性，經(jīng)過長時間的測試，電池性能衰減明顯低于未引入LA的電池。

因此，本研究具有重大的創(chuàng)新性和實際應(yīng)用價值。它不僅為開發(fā)低成本、環(huán)保的高效陰極界面層材料提供了新的思路，而且有望推動鈣鈦礦太陽能電池和鈣鈦礦/有機(jī)疊層太陽能電池向高性能、穩(wěn)定化和商業(yè)化方向發(fā)展，對實現(xiàn)綠色、可持續(xù)的光伏技術(shù)具有重要意義。

文獻(xiàn)信息

Synergistically improving open-circuit voltage and fill factor via utilizing a natural pigment as efficient interconnect layer for high-performance perovskite-organic tandem solar cells

Bin Zhang ，Yunqiang Du , Xinling Li , Aiqin Li , Menglan Lv , Weile Guo , Fei Guo , Ergang Wang

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894725080805

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