鈣鈦礦太陽能電池

1“材料與能源前沿科學(xué)：能源轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存中的基礎(chǔ)科學(xué)問題”培訓(xùn)班鈣鈦礦太陽能電池游經(jīng)碧jyou@2匯報(bào)提綱1，鈣鈦礦半導(dǎo)體材料及其應(yīng)用探索2，鈣鈦礦太陽能電池發(fā)展歷史及現(xiàn)狀3，高效鈣鈦礦單結(jié)太陽能電池發(fā)展4，高效鈣鈦礦基疊層太陽能電池的發(fā)展5，鈣鈦礦太陽能電池大面積模塊現(xiàn)狀6，鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性研究7，鈣鈦礦太陽能電池產(chǎn)業(yè)化8，總結(jié)與展望3鈣鈦礦材料的晶體結(jié)構(gòu)鹵素鈣鈦礦：古老的材料1980年-2000年，鹵素鈣鈦礦的材料研究非?；钴SChem.Rev.2016,116,4558?4596較早對(duì)鹵素鈣鈦礦結(jié)構(gòu)及其制備方法系統(tǒng)研究鈣鈦礦材料在發(fā)光二極管中的早期嘗試液氮溫度下的電致發(fā)光二維鈣鈦礦材料鈣鈦礦場(chǎng)效應(yīng)晶體管研究二維Sn基鈣鈦礦及其不穩(wěn)定，Sn2+易氧化Science,286,945(1999).8匯報(bào)提綱1，鈣鈦礦半導(dǎo)體材料及其應(yīng)用探索2，鈣鈦礦太陽能電池發(fā)展歷史及現(xiàn)狀3，高效鈣鈦礦單結(jié)太陽能電池發(fā)展4，高效鈣鈦礦基疊層太陽能電池的發(fā)展5，鈣鈦礦太陽能電池大面積模塊現(xiàn)狀6，鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性研究7，鈣鈦礦太陽能電池產(chǎn)業(yè)化8，總結(jié)與展望染料敏化電池的演化：鈣鈦礦太陽能電池染料分子首篇鈣鈦礦太陽能電池文獻(xiàn)報(bào)道A.Kojimaetal.,JACS,131,6050(2009).優(yōu)化獲得了6.5%光電轉(zhuǎn)換效率基于液態(tài)電解質(zhì)染料敏化電池結(jié)構(gòu)極其不穩(wěn)定Nam-GyuPark,Thehistoryofprogressofhalideperovskite,SPIEinvitedtalk,2017.固態(tài)染料電池結(jié)構(gòu)大大提高了鈣鈦礦電池穩(wěn)定性鈣鈦礦材料的突破性認(rèn)識(shí)：雙極性和長(zhǎng)擴(kuò)散長(zhǎng)度利用絕緣的介孔Al2O3取代導(dǎo)電的TiO2作為骨架，仍獲得了10.9%的電池效率Science,338,644(2012).鹵素鈣鈦礦載流子為自由載流子不同于有機(jī)半導(dǎo)體材料中的激子平面異質(zhì)結(jié)電池的概念提出基于有機(jī)太陽能結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦電池展示了平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦電池的可能性Adv.Mater.2013,25,3727–3732平面異質(zhì)鈣鈦礦電池的突破進(jìn)一步證實(shí)了載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度大于100nm.M.Z.Liuetal.,Nature,501,395(2013).17鈣鈦礦電池結(jié)構(gòu)的演變從介孔結(jié)構(gòu)到平面結(jié)構(gòu)的演化鈣鈦礦：優(yōu)異的光伏材料G.C.Xingetal.,Science,342,344-347(2013).S.D.Stranksetal.,Science,342,341-344(2013).W.J.YinetalAdv.Mater.26,4653(2014).W.J.Yinetal.,Appl.Phys.Lett.104,063903(2014).鈣鈦礦電池參數(shù)特性Nat.Nanotech.10,391(2015).20匯報(bào)提綱1，鈣鈦礦半導(dǎo)體材料及其應(yīng)用探索2，鈣鈦礦太陽能電池發(fā)展歷史及現(xiàn)狀3，高效鈣鈦礦單結(jié)太陽能電池發(fā)展4，高效鈣鈦礦基疊層太陽能電池的發(fā)展5，鈣鈦礦太陽能電池大面積模塊現(xiàn)狀6，鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性研究7，鈣鈦礦太陽能電池產(chǎn)業(yè)化8，總結(jié)與展望鈣鈦礦電池進(jìn)展研究三大方向：高效、穩(wěn)定以及大面積25.7%23.7%(ISCAS)★25.7%W.S.Yangetal.,Science,356,1376-1379(2017).W.S.Yangetal.,Science,348,1234-1237(2015).N.Aroraetal.,Science,DOI:10.1126/science.aam5655E.H.Jungetal.,Nature,567,511(2019).鈣鈦礦電池效率快速發(fā)展的三個(gè)主要階段2014,14.1%,兩步法(EPFL)2014,16.2%，反溶劑法(KRICT)2015,17.9,窄帶隙鈣鈦礦(KRICT)2015,20.1%,中間體，兩步法(KRICT)2016,21%，PMMA反溶劑法(EPFL)2016-2017，>20%鈣鈦礦平面異質(zhì)結(jié)電池（ISCAS，UnivToronto）2017,22.1%，I3-減少缺陷(KRICT)2017,22.7%,二維+P3HTHTL(KRICT)2018,23,3%,PEAI表面鈍化(ISCAS)2018,23.7%,界面鈍化(ISCAS)2019，25.2%，界面鈍化+其它(KRICT/MIT)2022,25.6%,二次相鈍化(ISCAS)高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜生長(zhǎng)電子傳輸層調(diào)控缺陷鈍化階段1：鈣鈦礦薄膜形貌調(diào)控形貌調(diào)控-抑制過快的晶粒生長(zhǎng)CH3NH3I+PbI2CH3NH3PbI3Adv.Funct.Mater.24,151(2014).經(jīng)典方法1：形成中間體，抑制結(jié)晶過程(反溶劑法)N.J.Jeon,NatureMaterials,13,897(2014).25經(jīng)典方法2：兩步順序沉積擴(kuò)散法Z.Xiaoetal.,EnergyEnviron.Sci.,7,2619(2014).26其它提高鈣鈦礦薄膜質(zhì)量方法氣相輔助沉積法熱蒸發(fā)方法Z.M.Liuetal.,Nature(2013)doi:10.1038/nature12509Q.Chenetal.,J.Am.Chem.Soc.2014,136(2):622-625.27階段2：電子輸運(yùn)層調(diào)控鈣鈦礦電池平面化遇到的挑戰(zhàn)：嚴(yán)重電滯反向測(cè)量:VocJsc，正向測(cè)量:JscVoc測(cè)量結(jié)果隨測(cè)試條件變化而變化N.J.Jeonetal.,Nat.Mater.13,897(2014).階段2：電子輸運(yùn)層調(diào)控J.Phys.Chem.Lett.5,2927(2014).階段2：電子輸運(yùn)層調(diào)控H.S.Kimetal.,J.Phys.Chem.Lett.5,2927(2014).階段2：電子輸運(yùn)層調(diào)控電荷勢(shì)壘1.G.Xingetal,Small,11,3606(2015).2.H.Snaithetal.,ACSNano,8,12701(2014).31TiO2SnO2Typicaln‐typesemiconductorsA.J.Noziketal.,JPC,100,13061(1996).Q.Jiangetal.,Small,14,1801154(2018).Withmodification利用SnO2WithmodificationQ.Jiang,…X.W.Zhang*,J.B.You*,NatureEnergy,2,16177(2016).SnO2被作為普適高效的鈣鈦礦電荷傳輸層CBDCl‐SnO2CBDSnO2階段3：缺陷鈍化，實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦電池效率突破Adv.EnergyMater.2019,190265035鈣鈦礦對(duì)缺陷容忍度比較高，并不是說鈣鈦礦中的缺陷對(duì)器件性能沒有影響Adv.EnergyMater.2019,190265036缺陷鈍化是必要的和普適的defectsVOC1VOC2VOC=KBT/qln(Jsc/J0+1)50Voltage(V)晶界鈍化：二次相PbI2鈍化碘化鉛稍過量碘化鉛碘化鉛稍過量碘化鉛Q.Chenetal.,NanoLett.,14,4158(2014)碘化鉛嚴(yán)重過量n碘化鉛嚴(yán)重過量n碘化鉛能增加n壽命隨碘化鉛PbI2是一個(gè)很好鈍化材料，但不穩(wěn)定J.Schoonman,Chem.Phys.Lett.619,193–195(2015).J.Holovskyetal.,ACSEnergyLett.4,3011–3017(2019).40穩(wěn)定二次相，實(shí)現(xiàn)既高效又穩(wěn)定電池withwithi—Experimentof(PbI2)2RbClY.Zhao,…,J.B.You*,Science,377,531-537(2022).獲得認(rèn)證效率為25.6%，熱穩(wěn)定性超過500小時(shí)電池器件Y.Zhao,…,J.B.You*,Science,377,531-537(2022).上表面缺陷鈍化：2D/3D結(jié)構(gòu)固相生長(zhǎng)3D/2D結(jié)構(gòu)正交溶劑生長(zhǎng)NatureEnergy,6,63(2021)Science377,1425–1430(2022)上表面缺陷鈍化：有機(jī)分子鹵化鹽鈍化Q.Jiang,…J.B.You*,NaturePhotonics,13,460(2019).NREL發(fā)表的BestResearchCellEfficiencies收錄了我們的23.3%,23.7%電池效率中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所(ISCAS)分子鈍化：對(duì)分子結(jié)構(gòu)選擇性和復(fù)雜性Science,366,1509–1513(2019).Nat.Photon.,13,418(2019).下表面鈍化25.5%認(rèn)證效率H.Minetal.,Nature,598,444,(2021).單結(jié)電池效率的極限Correa-Baenaetal.,Science,358,739(2017).1預(yù)測(cè)97.7%Ma&Park,Chem,6,1254(2020).47匯報(bào)提綱1，鈣鈦礦半導(dǎo)體材料及其應(yīng)用探索2，鈣鈦礦太陽能電池發(fā)展歷史及現(xiàn)狀3，高效鈣鈦礦單結(jié)太陽能電池發(fā)展4，高效鈣鈦礦基疊層太陽能電池的發(fā)展5，鈣鈦礦太陽能電池大面積模塊現(xiàn)狀6，鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性研究7，鈣鈦礦太陽能電池產(chǎn)業(yè)化8，總結(jié)與展望鈣鈦礦電池效率新突破點(diǎn)：疊層電池吸收更多的光轉(zhuǎn)換更多的能量mhecation?高效:在有限的面積內(nèi)產(chǎn)生更多的電能（人造衛(wèi)星）?低成本:高轉(zhuǎn)換效率可以降低發(fā)電成本]kxetal.,JournalofEnergyChemistry.58,219(2021).以鈣鈦礦/硅疊層電池為例極限30%極限45%極限30%硅和鈣鈦礦疊層是有望鈣鈦礦基疊層電池u鈣鈦礦/硅疊層（31.3%）u鈣鈦礦/鈣鈦礦疊層(28%)u鈣鈦礦/銅銦鎵硒疊層(24.2%)u鈣鈦礦/有機(jī)疊層(~23%)鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池研究進(jìn)展4T，17.1%4T，17.1%2015，StanfordU2017，StanfordU2020，UToronto2020，UToronto國際上領(lǐng)先團(tuán)隊(duì)包括：EPFL,HZB,OxfordPV…鈣鈦礦/硅疊層關(guān)鍵問題1：高效寬帶隙鈣鈦礦電池的實(shí)現(xiàn)Cs0.05(FA0.77MA0.23)0.95Pb(I0.77Br0.23)3g=1.68eVScience370,1300–1309(2020)鈣鈦礦/硅疊層關(guān)鍵問題2：鹵素分離Xuetal.,Science367,109(2020).鈣鈦礦/硅疊層電池關(guān)鍵問題3：絨面硅襯底上鈣鈦礦的保角生長(zhǎng)低絨度襯底上的鈣鈦礦生長(zhǎng)物理氣相沉積與溶液法結(jié)合Chenetal.,Joule.4,850(2020).Houetal.,Science367,1135(2020).820(2018).鈣鈦礦/硅疊層關(guān)鍵問題4：大面積化OxfordPV:274.2cm2鈣鈦礦/硅疊層效率已達(dá)26.8%，已超過晶硅單結(jié)效率26.7%EcoMat.2021;3:e12084.SolarCellEfficiencyTable,Version6056全鈣鈦礦疊層電池寬帶隙I-Br混合鈣鈦礦窄帶隙Pb-Sn混合鈣鈦礦J.WenandH.R.Tanetal.,ScienceChinaMaterials,2022,/10.1007/s40843-022-2231-9全鈣鈦礦疊層電池機(jī)遇與挑戰(zhàn)礦中Sn2+易氧化成Sn4+,產(chǎn)生匯報(bào)提綱1，鈣鈦礦半導(dǎo)體材料及其應(yīng)用探索2，鈣鈦礦太陽能電池發(fā)展歷史及現(xiàn)狀3，高效鈣鈦礦單結(jié)太陽能電池發(fā)展4，高效鈣鈦礦基疊層太陽能電池的發(fā)展5，鈣鈦礦太陽能電池大面積模塊現(xiàn)狀6，鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性研究7，鈣鈦礦太陽能電池產(chǎn)業(yè)化8，總結(jié)與展望鈣鈦礦電池大面積制備途徑及方法2.狹縫涂布3.噴墨打印4.噴涂CompositionengineeringSpin-coating(1cm2)u高質(zhì)量均勻鈣鈦礦和電荷傳輸層，墨水調(diào)CompositionengineeringSpin-coating(1cm2)u模組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)6.物理或化學(xué)氣相沉積perovskitesolar氣相沉積AdditivesEngineeringAdditivesEngineeringCoating例1：刮涂法實(shí)現(xiàn)大面積鈣鈦礦電池制備Dengetal.,Sci.Adv.2019;5:eaax7537國外在大面積鈣鈦礦電池方面的研究進(jìn)展大面積鈣鈦礦太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率︵大面積鈣鈦礦太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率︵美國北卡大學(xué)教堂山分校，25cm217.9%17.8%22.4cm216.6%15.3%800cm215.3%13.3%︶%︶20172018201920202021大面積鈣鈦礦電池制備主要依靠刮涂法，優(yōu)勢(shì)研究單位為美國NREL、美國北卡大學(xué)、英國牛津光伏、日本松下等，NREL朱凱團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)在大面積鈣鈦礦電池方面的研究進(jìn)展最近更新的結(jié)果：極電光能800cm2,17.8%大面積鈣鈦礦太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率︵%大面積鈣鈦礦太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率︵%︶極電光能65cm220.5%★★20.2%17cm2★★20.2%★20cm2★20cm2★★18.04%★★18.04%★17.4%★杭州纖納16.0%杭州纖納201820172021202020192018201720212020無錫極電光能目前已研制出65cm2面積，20.5%效率的小型模組，打破了鈣鈦礦模組的最高效率記錄，被《SolarCellEfficiencyTables》收錄大面積電池瓶頸n大面積電池：800cm2,17.9%;3000cm2,~15%50鈣鈦礦50鈣鈦礦匯報(bào)提綱1，鈣鈦礦半導(dǎo)體材料及其應(yīng)用探索2，鈣鈦礦太陽能電池發(fā)展歷史及現(xiàn)狀3，高效鈣鈦礦單結(jié)太陽能電池發(fā)展4，高效鈣鈦礦基疊層太陽能電池的發(fā)展5，鈣鈦礦太陽能電池大面積模塊現(xiàn)狀6，鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性研究7，鈣鈦礦太陽能電池產(chǎn)業(yè)化8，總結(jié)與展望如何使鈣鈦礦電池變得更加穩(wěn)定l相的不穩(wěn)定l界面不穩(wěn)定l離子移動(dòng)等我們總結(jié)了五種提高鈣鈦礦電池穩(wěn)定性方Y(jié).Yang*,J.B.You*,Nature,5鈣鈦礦電池穩(wěn)定性的影響因素解決方案界面層封裝S.N.Habisreutingeretal.,NanoLett.14,5561(2014).2、相結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性rA+rBtf=2(rB+rx)XZ.Lietal.,Chem.Mater.,28,284(2016).69普適的解決方案：A位摻Cs，X位摻Br提高相穩(wěn)定性M.Salibaetal.,EnergyEnviron.Sci.,9,1989(2016).二維鈣鈦礦提高穩(wěn)定性L.N.Quanetal.,JACS,138,2649(2016).二維鈣鈦礦提高穩(wěn)定性準(zhǔn)二維鈣鈦礦提高太陽能電池穩(wěn)定性L.N.Quanetal.,JACS,138,2649(2016).二維鈣鈦礦提高穩(wěn)定性的局限性二維鈣鈦礦電池存在問題：垂直方向電荷傳H.Tsaietal.,Nature,536,312‐316(2016).H.Tsaietal.,Nature,536,312‐316(2016).NatureEnergy,6,63(2021)Science377,1425–1430(2022)鈣鈦礦中離子遷移影響器件穩(wěn)定性離子遷移主要是通過鹵素空位如碘離子移動(dòng)76鈣鈦礦中離子遷移影響器件穩(wěn)定性減少晶界缺陷是一種有效的抑制離子移動(dòng)的方式低維度提高離子遷移勢(shì)壘ACSEnergyLett.2,1571(2017).78界面穩(wěn)定性無空穴傳輸層碳電池大幅度提高電池穩(wěn)定性，但存在電壓損失較大問題A.Mei,H.Han*etal.,Science,345,6194(2014).A.Mei,H.Han*etal.,Joule,4,2646(2020).79界面穩(wěn)定性ZnOZnOAuAuPEDOTPEDOT:PSSGlass/Glass/ITOJ.B.Youetal.,NatureNanotechnology,11,75(2016).W.Chen,L.Han*etal.,Science,DOI10.1126/science.aad101580界面穩(wěn)定性Wangetal.,Science365,687(2019).界面穩(wěn)定性Yangetal.,Science365,473(2019).復(fù)合電極提高穩(wěn)定性匯報(bào)提綱1，鈣鈦礦半導(dǎo)體材料及其應(yīng)用探索2，鈣鈦礦太陽能電池發(fā)展歷史及現(xiàn)狀3，高效鈣鈦礦單結(jié)太陽能電池發(fā)展4，高效鈣鈦礦基疊層太陽能電池的發(fā)展5，鈣鈦礦太陽能電池大面積模塊現(xiàn)狀6，鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性研究7，鈣鈦礦太陽能電池產(chǎn)業(yè)化8，總結(jié)與展望鈣鈦礦太陽能電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展