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研究背景
得益于鈣鈦礦薄膜優(yōu)異的光電性能，鈣鈦礦薄膜太陽電池的光電轉(zhuǎn)化效率(PCE)由初的3.8%快速上升到22.1%。 然而，鈣鈦礦薄膜的穩(wěn)定性問題一直沒有得到有效解決，成為該類電池商業(yè)化進程中的主要障礙。隨著相關(guān)研究工作的不斷開展，研究者在確定鈣鈦礦薄膜降解誘發(fā)因素方面取得了許多成果，但是對于其電池性能下降的動態(tài)過程認識卻相對匱乏。對于該性能衰減過程的研究將有助于提高和改善鈣鈦礦薄膜電池的長期穩(wěn)定性， 增強其實用價值。
深圳大學(xué)屈軍樂教授課題組通過監(jiān)控短路電流(Jsc)變化情況來研究電池性能退化動力學(xué)(Drate)，經(jīng)過光照IV測試后，發(fā)現(xiàn)退化動力學(xué)從約0.02mA cm-2·min-1變化到約0.35mA cm-2·min-1
器件和表征
采用旋涂法制備未封裝的平面結(jié)構(gòu)鈣鈦礦電池，電池結(jié)構(gòu)和形態(tài)如下圖所示。未封裝的鈣鈦礦電池(PSCs)的光電流-電壓(IV曲線)，在暗條件下器件放置在大氣環(huán)境中(相對濕度65%)15分鐘(一次測試)和30分鐘(第二次測試)，清楚的顯示出性能如圖1c所示，在一次測試中，PCS表現(xiàn)出了出色的光電性能(PCE=16%)(Jsc)約為21.4 mAcm-2，Voc為0.98 V，填充因子(FF)約為77%，但是當(dāng)放置時間到30分鐘后，Jsc 、Voc和FF分別降至15.4mAcm-2、0.96 V和約70%，相當(dāng)于第二次測試中將近37%的光電轉(zhuǎn)換效率損失。
為了進一步研究PCS降解動力學(xué)，通過IPCE積分短路電流密度值(Jsc)，評估性能下降動力學(xué)(Drate)，下圖顯示了未封裝的PSCs光照之前和之后的IPCE曲線(放置時間5-15分鐘)。發(fā)現(xiàn) 400-500nm和760nm會明顯下降(<15min)，如圖2a中的插圖1和2所示，一般鈣鈦礦正面對短波長敏感(藍色)，背面對長波長敏感(紅色)，這是由于光的入射深度，水分擴散到PSCs中誘導(dǎo)和降解都起始于轉(zhuǎn)換層和鈣鈦礦薄膜，這樣將增加界面中的缺陷數(shù)量，從而導(dǎo)致IPCE值下降。
為了了解降解加速機理，從物理和化學(xué)的角度對光IV試驗前后的器件進行了特性分析。下圖中顯示了光IV之前和之后的PSCs的暗IV曲線，并通過兩二極管模型進行了數(shù)據(jù)擬合
其中q，k，T，RS和Rsh分別是電荷，玻爾茲曼常數(shù)，對溫度，串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻，
當(dāng)偏壓較小時(V)，主要是分流影響暗電流(Jdark)，但隨著偏壓加大，由于太陽電池二極管特性，復(fù)合和擴散的電流主要控制暗電流(Jdark)。光照IV測試后，Jrec和n2在光照IV測試后增加，較高的Jrec和n2值表明復(fù)合增加了缺陷密度，復(fù)合不僅是增加了器件的缺陷態(tài)，還形成了局部缺陷。Jdiff值光照前后器件在一個數(shù)量級，由于局部缺陷加強的復(fù)合可能是造成PSCs在光照IV測試后電流損失的重要原因。
總結(jié)
深圳大學(xué)屈軍樂教授課題組深入研究研究鈣鈦礦電池降解機理，通過研究短路電流變化率的實驗數(shù)據(jù)表明，加速降解過程主要是水分誘發(fā)的水化作用和dian離子遷移。并采用三步實驗進一步解釋其降解機理，提出降解與水分和遷移速率有關(guān)，遷移的I離子增強了水化進程，同時會快速形成H2O和O2快速擴散通道，從而導(dǎo)致鈣鈦礦薄膜快速分解并增加缺陷態(tài)密度。當(dāng)PCBM受到遷移I離子損害時，擴散的O2會促進降解，這些結(jié)果表明減小遷移離子數(shù)量，有助于防止鈣鈦礦電池的降解。該實驗通過積分短路電流的變化速率研究性能下降的動態(tài)過程，有助于提高和改善鈣鈦礦薄膜電池的長期穩(wěn)定性，增強實用價值。
這一成果近期發(fā)表在Journal of Power Sources上，文章名“Light-current-induced acceleration of degradation of methylammonium lead iodide perovskite solar cells”
該文章是由深圳大學(xué)屈軍樂教授課題組完成，
本研究采用的是北京卓立漢光儀器有限公司 “Sirius”系列太陽光模擬器和搭建的IPCE系統(tǒng)
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2025第13屆武漢國際科學(xué)儀器與實驗室裝備展覽會
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