基于低压闪蒸诱导晶化钙钛矿薄膜光伏电池的工艺及性能研究-黄璐

2018年中国太阳级硅及光伏发电研讨会 报告人 ：黄璐 上海大学 光电子材料与器件研究中心 基于低压闪蒸诱导晶化钙钛矿薄膜光伏电池的 工艺及性能研究 汇报提纲 研究工作的技术背景1 研究工作的代表性成果3 研究意义及研究工作的思路2 全球薄膜太阳电池的效率进展 2018 22.6% 22.7% 25.3% HBC Si solar cell 薄膜太阳电池种类 优势（相对于硅而言） 最高效率 缺点与挑战 CIGS（铜铟镓硒） 高效率、低成本、长 寿命、透明、无毒害 22.6% CZTS（ 12.6%） 铟价节节高升 CdTe（碲化镉） 相对高效率、低成本 15%（ BIPV） 镉有毒、需可控回 收、不满足消费产 品标准、印刷困难 DSSC（染料敏化电 池） 偏光有效、轻便、透 明、入射光角度宽、 颜色各异、无毒害 15%（ Flexible） 液体电解质溶液、 贵金属钌价攀升 OPV（有机电池） 低成本、材料种类多、 光电性能可调、可实 现全溶液制备法 14%（实验室） 成本高、效率低、 稳定性差、光谱吸 收范围窄 Perovskite（钙钛矿） 初始效率高、具备溶 液和真空制备法、具 备大面积制备的潜力 22.7%（已验证） 有机空穴传输层贵 （ CuSCN）、空气 中效率衰减快 全球薄膜太阳电池的技术进展 钙钛矿太阳能电池的优点和存在关键问题 优点 （ 1）高效 （ 2）廉价：材料廉价和制备设备便宜 （ 3）制备工艺简单 关键问题 （ 1） I-V曲线中 非电容性“电 滞 ” 现象 （ 2）稳定性差 需要新的思路？ Scan rate: 5-300 mV/s 汇报提纲 研究工作的技术背景1 研究工作的代表性成果3 研究意义及研究工作的思路2 Science， 2016， 353(6294): 58 研究工作思路（创新） 两步法（真空闪蒸 +退火）调控钙钛矿材料晶粒尺寸 一步法低压闪蒸诱导晶化调控钙钛 矿晶粒尺 寸 改进 Au HTM MAPbX3 SrTiO3 TiO2 FTO glass 主要研究内容 （ 1） 高稳定的钙钛矿吸收层材料的掺杂、复合制备技术研究； （ 2） 减小、消除 I-V曲线中 非电容性“电滞” 现象的关键技术研究； （ 3）可重复性 钙钛矿吸收层材料提高钙钛矿太阳能电池稳定性的技术研究 。 总目标： 研制的高性能的钙钛矿太阳能电池的电池效率超过 18%；通过采用 以上材料及关键制备技术的钙钛矿太阳能电池具有较高的长期稳定 性，能够为 其 商业化 应用探索道路 。 主要研究内容： 钙钛矿太阳电池与晶硅太阳电池性能对比 c-Si 太阳能电池 400 600 800 1000 0 20 40 60 80 100 Wavelenght (nm) 钙钛矿太阳能电池 IPC E (% ) Cu rren t d en sity (mA /cm 2 ) Voltage (V) Po we r ( mW /cm 2 ) 1 sun 0.86 sun 0.7 sun 0.6 sun 0.5 sun 0.4 sun 钙钛矿太阳电池常规工艺与低压闪蒸法对比 低压闪蒸工艺对钙钛矿层晶粒形貌的表征 常规两步法工艺 低压闪蒸法工艺 低压闪蒸工艺对钙钛矿层吸收光谱的表征 低压闪蒸工艺对钙钛矿电池效率的测试 （ 1） 热铸造 -低压闪蒸技术合成方法 （ 2） 高电子迁移率的铁电材料作 （ 3）制备工艺 设备和技术 开发 研究工作的特色和创新点 生长 大晶粒 分离传输光生电子 抗水 和 UV侵蚀 减小、消除 非电容性 “电滞” 现象 提高 稳定性 热铸造 -低压闪蒸技术合成 技术 ➢界面调控工程： 合成条件对 TiO2/SrTiO3异质结构的调控规律以及对 TiO2/SrTiO3间应力影响规律，从而控制铁电自发极化对光生电子传输； ➢如何精确控制热铸造 -低压闪蒸合成技术 ，从而实现 MAPbI3-xClx晶体生 长可控，最终揭示 MAPbI3-xClx光吸收层的界面性能影响规律，极化电场对 光生电子的注入、收集、传输的影响规律，以及对非电容性“电滞”现 象的减少和消除机理； ➢器件能级匹配 的选择 ，与 FTO/ TiO2/SrTiO3/MAPbI3-xClx/HTM/Au太阳能电 池兼容性工艺及能级匹配性研究。 研究工作的关键技术 （ 1） 在环境湿度和温度下， 1000h后电池效率保持 90%以上 （ 2） 电池光电转换效率： 18%以上 （ 3） 短路电流密度： 25 mA/cm2以上 （ 4） 开路电压： 1000 mV以上 研究工作期望获得的技术指标 汇报提纲 研究工作的技术背景1 研究工作的代表性成果3 研究意义及研究工作的思路2 代表性成果一 :SrTiO3异质结界面调控 本团队已发表 的科研成果和相关论文 Advanced Materials, 2017, 29: 1701432 RSC Advances, 2015, 5: 52041-52047 Advanced Materials, 2017, 29: 1605448 J. Mater. Chem. A, 2016, 4: 6185 国内外研究机构同行评价 清华大学 化学系 石高全 教授评价本研究成果： SrTiO3为钙钛矿太阳电 池电子传输层提供很好 的支架作用，光电转换 效率显著提高。 美国 阿贡 国家实验室 科学 家 Seth评价本研究成果： SrTiO3能带匹配器件，高电 介质减少电荷复合，显著 提高钙钛矿太阳电池电流， 并 引用 本论文 TEM图 ESI高被引论文 钙钛矿电子分离界面层 晶格 匹配奠定基础 TiO2/SrTiO3异质 结作为阳极界 面层可 改善 钙 钛矿光伏器件、 光催化分解水 器件的 电子输 运 能力。 代表性成果二 :TiO2纳米阳极形貌调控 本团队已发表 的科研成果和相关论文 J. Alloys Compd., 2016, 679: 32 J. Mater. Chem. A, 2014, 2: 16030 ESI高被引论文 国内外研究机构同行评价 J. Mater. Chem. A, 2015, 3: 15248 韩国同行高度 评价 TiO2纳米线研究工作，验证其 他氧化物也可以通过表面晶向驱动颗粒自组装。 印度同行 评价枝状 TiO2纳米线作为染料敏化电池 光阳极研究工作，显著提高太阳电池转换效率。 Renew. Sust. Energ. Rev., 2016, 60: 356 阳极与金属功 函数 器件 能带 匹配 奠定基础 ! (010) 晶面 TiO2光阳极形貌 调控 应用于染料敏化和钙钛矿 太阳电池，可以改善短路电流 提高 转换效率。 代表性成果三：诱导晶化非晶硅薄膜 Applied Surface Science, 2010, 256: 3453 本团队已发表 的科研成果和相关论文 Surf. Coat. Tech., 2017, 320: 82 国内外研究机构同行评价 ACS. Appl. Mater. Inter., 2012, 4: 2680 Acta. Phys. Pol. A, 2011, 120: 30 ESI高被引论文 美国同行高度 评价诱 导晶化研究工作将分 子成核组成薄膜控制 在纳米级别粗糙度。 德国同行 评价研究测 试发现硅晶格应力导 致拉曼光谱变化规律， 有助于调控晶化。 低压闪蒸诱导晶化 工艺 调 控晶粒尺寸借鉴 ! 研究诱导晶 化非晶硅薄 膜 工艺 条件， 探索对多晶 硅晶粒生长 的 量子调控 规律和成核 机理。 联系方式： 邮箱 : lhuang@i.shu.edu.cn 电话 :021-66138066 手机 : 13761622413 感谢各位专家的评审意见和建议！