使用快速光电流分布成像技术研究钙钛矿太阳能电池在水气中器件稳定性

使用快速光电流分布成像技术研究钙钛矿太阳能电池在水气中器件稳定性

在过去几年间,有机-无机钙钛矿太阳能电池的转换效率获得重大的突破,已与商用晶矽太阳能电池技术的转换效率相当 (> 20%). 克服钙钛矿太阳能电池材料与器件因水气所造成的不稳定性是其进入商用的重要门槛。直至今日,研究钙钛矿太阳能电池效率衰退的方法是采用监控电池的电流电压曲线(J-V)在不同的温度、湿度条件下随时间的变化,来了解其衰退的情形。然而,J-V曲线随着时间的变化对于衰退基理与过程的了解却无法提供太多微观的资讯。瑞士EPFL M. Graetzel团队采用快速光电流分布成像技术, 一种镭射光束诱发电流LBIC (Laser Beam Induced Current)技术, 来研究钙钛矿太阳能电池在不同湿度条件下,其量子效率分布影像在空间与时间上的演化过程。借由高速、高解析度影像结果分析,发现钙钛矿太阳能电池衰退机制上具有四个阶段。快速LBIC影像技术除了提供微观尺度的资讯,验证了其中三个阶段具备可逆性,同时对于设计、改善钙钛矿太阳能电池的转换效率及稳定性提供了十分重要的依据。

图一 钙钛矿太阳能电池在相对湿度50±5%条件下,利用LBIC 532nm下测量EQE随时间的变化分布,可以明显观察到不同的三个特征阶段的影像。

图二 由LBIC影像,计算其区域平均EQE值随不同湿气曝晒时间的变化。可以观察到四个显著的时间变化阶段。

图三 在第四个阶段不同时间的LBIC EQE影像。

图四, 在第三阶段,钙钛矿电池在(a) 相对湿度50% (b) 相对湿度80%EQE等高线图。观察等高线图随时间的变化,可以看出衰退边缘的移动速度,同时可以量化计算得到相对湿度50%80%的衰退率分别为0.36 um s-1 1.48 um s-1

图五 (a) 含税的钙钛矿器件在干空气吹扫过程中,不同时间点的EQE影像。(b)在湿空气与干空气回圈吹扫下,面分布EQE的平均值 (532 nm 波长下)随时间的变化,可看出其可逆回圈的特性。 

图六 PbI2-Ch3NH3I-H2O平衡变化的示意图。


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