低成本策略突破30%效率:DMSO气相熏蒸提升钙钛矿/硅叠层太阳能电池性能

来源:新能源与能效发布时间:2025-06-23 14:09:39

在推动钙钛矿太阳能电池产业化的征程中,如何制备高质量的大颗粒、低缺陷的宽带隙钙钛矿薄膜,一直是效率提升和稳定性改善的核心难题。近日,研究团队提出了一种简便有效的溶剂气相熏蒸策略(DMSO fumigation),在不更改前驱体配方的情况下,显著改善了宽带隙钙钛矿的结晶过程,制备出高质量薄膜,成功实现了30.9%的钙钛矿/硅(TOPCon)叠层电池转换效率(认证效率30.83%),迈出了产业化关键一步。

一、研究背景与挑战

宽带隙钙钛矿(Eg ≥ 1.65 eV)是构建叠层太阳能电池的关键前电池材料,但常见的混卤钙钛矿体系(如I/Br混合)在结晶过程中易发生快速晶化和相分离,导致晶粒小、缺陷多,器件的开路电压(VOC)损失大、稳定性差。虽然已有研究尝试通过添加Lewis碱或改变溶剂类型来调控晶化过程,但成本高、操作复杂,难以规模推广。

二、实验方法概述

本研究采用DMSO气相熏蒸的方法,在旋涂完成后、退火前,将湿膜暴露于DMSO蒸汽环境中,延长中间相(如AX2–PbX2–DMSO)的存在时间,从而减缓晶化速率,促进大晶粒和低缺陷钙钛矿膜的形成。通过对比实验,将未经处理的样品作为对照组(control),DMSO熏蒸处理后的样品为目标组(target)。

三、主要实验表征与结果

晶化动力学控制:

XRD、GIWAXS及原位PL表征表明,熏蒸处理显著延长了中间相的存在时间,延缓晶化过程;

FTIR和XPS揭示了DMSO与PbX₂的协同作用增强,降低了非配位Pb²⁺浓度。

膜质量与能级调控:

SEM/EDS证实目标膜晶粒更大、成分更均一;

AFM与KPFM表明膜面更平整,表面费米能级上移,有利于电子传输;

TRPL、SCLC测试表明非辐射复合被显著抑制,陷阱态密度降低至1.67×10¹⁶ cm⁻³。

器件性能提升显著:

1.65 eV器件PCE达23.19%,VOC高达1.259 V,FF为83.73%,JSC为21.99 mA cm⁻²;

1.68 eV器件PCE达22.38%,VOC为1.265 V;

VOC损失低至0.391 V,接近理论极限。

叠层器件突破30%:

以优化的1.65 eV前电池结合TOPCon后电池构建单体结构叠层器件,认证效率达30.83%;

EQE光谱匹配良好,有效电流协调;

器件在常温暗态存储2000小时后仍保持90%初始效率,显示良好长期稳定性。

四、技术创新点总结

首次引入DMSO气相熏蒸调控宽带隙钙钛矿结晶过程,无需更改配方或添加新组分;

显著提升薄膜结晶质量,降低非辐射复合,压低VOC损失至领先水平;

实现钙钛矿/TOPCon叠层电池认证效率超30%,具备规模化推广潜力。

五、结语与展望

该研究所提出的DMSO熏蒸策略不仅原理清晰、成本低、操作简便,而且可与现有旋涂工艺兼容,对大面积制备具有极高适配性。未来,有望在柔性、叠层、模块化等应用中发挥重要作用,为钙钛矿光伏商业化提供可复制的新范式。

责任编辑:zhouzhenkun
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