研究了金属卤化物钙钛矿太阳能电池中陷阱态的空间和能量分布

时间:2020-04-06 18:35 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

研究了金属卤化物钙钛矿太阳能电池中陷阱态的空间和能量分布

发表的一份新报告中科学、嫉妒心重镍和一个研究小组应用物理科学、机械和材料工程和计算机和能源工程异形空间和能量分布的陷阱在美国各州或缺陷在金属卤化物钙钛矿单个水晶多晶太阳能电池。研究人员将金属卤化物钙钛矿(MHPs)的光伏性能归功于它们的高光学吸收系数、载流子迁移率、长电荷扩散长度和小的Urbach能量(代表系统中的无序)。理论研究已经证明,由于钙钛矿的低形成能、结构缺陷和晶界,在材料表面形成深电荷陷阱的可能性,可以指导钙钛矿太阳能电池钝化技术(化学反应性损失)的发展。电荷陷阱态在钙钛矿太阳能电池等器件的降解过程中起着重要的作用。了解陷阱态在其空间和能量中的分布可以阐明电荷陷阱(缺陷)对钙钛矿材料和器件中电荷输运的影响,从而获得最佳性能。

科学家们广泛使用热导纳光谱(TAS)和热激发电流(TSC)方法来测量钙钛矿太阳能电池内的能量依赖陷阱态密度(tDOS)。这些方法通常可以达到接近0.55 ev的陷阱深度,足以制造高效的太阳能电池。为了探测存在于宽频带隙钙钛矿中的更深层的阱态,研究人员使用了表面光电压谱和亚带隙光电流等技术。然而,大多数技术不能应用于已经完成的太阳能装置来测量陷阱态的空间分布。在这项工作中,Ni等人演示了驱动级电容剖面法(DLCP),这是一种基于电容的替代技术,用于在钙钛矿中提供具有良好特征的载流子和捕集器密度的空间分布。科学家们绘制了钙钛矿单晶和多晶薄膜中陷阱态的空间和能量分布,以便进行直接的比较。

研究了金属卤化物钙钛矿太阳能电池中陷阱态的空间和能量分布

该团队开发了DLCP(驱动级电容剖面)方法来研究非晶和多晶半导体(如非晶硅)带隙中的缺陷空间分布。该方法可以直接确定载流子密度,包括半导体带隙内的自由载流子密度和陷阱密度,以及它们在空间和能量上的分布。他们用高交流频率下测量的自由载流子密度减去低交流频率下测量的载流子总密度,从而估算出阱密度。这项技术使研究小组能够推导出陷阱态的能量分布。为了验证用DLCP方法测量载流子密度的准确性,科学家们在p型晶硅(p-Si)晶圆片上制作了一个硅太阳能电池,上面有一个n型扩散层Si (n )。测量结果与电导率测量得到的p-Si晶圆片掺杂浓度一致,验证了用DLCP测量载流子密度的准确性。

为了使用DLCP分析载流子和陷阱密度,研究人员研究了从一个电极到反电极的装置,以了解平面结构钙钛矿太阳能电池中节点的位置。该团队进行了几次实验,观察到钙钛矿细胞通常在设备成分之间维持一个n -P连接。为了确定与物理材料深度相对应的剖面深度,Ni等人构建了一个包含双层甲基铵碘化铅(MAPbI3)薄晶体的装置来定位电荷阱。异形的陷阱密度时,工程设备,他们获得一个峰值在陷阱密度分析18μm的距离。

研究了金属卤化物钙钛矿太阳能电池中陷阱态的空间和能量分布

该团队随后研究了钙钛矿单晶太阳能电池中的阱分布,并观察到第一个报道的MAPbI3单晶太阳能电池的最高功率转换效率(PCE)只有17.9%;远低于多晶太阳能电池。他们不知道限制载流子在薄晶体中扩散的潜在机制,并利用合成晶体方法进行了DLCP测量,以研究阱密度与阱分布的关系。研究小组观察了一个典型的MAPbI3薄单晶中载流子密度的空间分布,他们用空间限制生长法在不同频率下合成了该晶体,并注意到载流子密度的增加与交流频率的降低相对应,这表明MAPbI3薄单晶中存在电荷陷阱。

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为了了解钙钛矿界面深陷阱密度的起源,研究小组使用了高分辨率透射电子显微镜,并检查了不同组成的钙钛矿样品。他们比较了不同组成的钙钛矿单晶和多晶薄膜间的陷阱密度分布。薄单晶的阱密度分布比多晶薄膜的阱密度分布低几个数量级。结果表明,适当的表面改性工艺对于降低钙钛矿单晶在多晶薄膜界面的陷阱密度,提高器件性能具有重要意义。研究结果为钙钛矿太阳能电池和其他电子器件通过降低界面陷阱密度来提高性能提供了重要的方向。

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因此,Ni Zhenyi等人利用太阳能电池电容模拟器对不同陷阱密度的薄膜和单晶钙钛矿太阳能电池进行了模拟。用DLCP测量的阱的范围足够深,可以预测太阳能电池的行为,降低材料的体积阱密度,并将功率转换效率(PCE)提高到20%。通过降低界面陷阱密度,他们增加了更接近无陷阱薄膜太阳能电池观察到的PCE值。对单晶太阳能电池的模拟数据与实验结果吻合较好,说明单晶太阳能电池的PCE在器件接口上还可以进一步提高,以获得更多的阳光。

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