Ultra-Low-Cost Perovskite Solar Cells based on Printed Inorganic Nanoporous Electrodes

基于印刷无机纳米多孔电极的超低成本钙钛矿太阳能电池

基本信息

批准号：
22KJ2631
负责人：
辻流輝
金额：
$ 1.09万
依托单位：
University of Hyogo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2023
资助国家：
日本
起止时间：
2023-03-08 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

まず、ソルボサーマル合成法によって20 nmの酸化ニッケル(NiO)ナノ粒子を合成し、多孔質NiOペーストおよび5-50 wt.%のNiOを添加したカーボンペーストを作製した。NiOペーストおよびNiO添加カーボン電極を多層多孔質型ペロブスカイト太陽電池の正孔輸送層および背面電極に適用した。NiO層のみを適用した場合、正孔輸送能力が大幅に向上し、特にデバイスの短絡電流密度が向上することがわかった。一方で、NiO添加カーボン電極のみを適用した場合、特にデバイスの開放電圧が向上することがわかった。このように、NiOを異なる形でデバイスに適用することで、それぞれ異なるデバイス特性を引き上げることができた。この研究結果を元に、NiO層およびNiO添加カーボン電極の両方を同時に適用した太陽電池デバイスを作製したところ、NiOなしの13.02%から、NiOありで15.2%まで光電変換効率を向上させることができた。この数値は、本太陽電池の中でも世界トップクラスの効率である。上記の結果について、デバイス性能向上と材料特性の相関性を調べるために、シンクロトロン軟X線をはじめとする種々の材料物性分析を行った。軟X線を用いた価電子帯評価の結果、NiOを10 wt.%追加したカーボン電極の状態密度が変化していることが明らかとなった。これは、NiO粒子が炭素上に存在することで、電子摂動が生じたことを示唆しており、金属酸化物と炭素を混合することで、目的のエネルギーレベルの電極材料が得られる可能性を示しており、この影響でデバイスの開放電圧が向上したと考えられる。多層多孔質型ペロブスカイト太陽電池は、炭素電極を使用することによる低い電圧がネックであったが、これらの材料・デバイス設計によってこの短所を克服できることを示すことができた。

首先，通过溶剂热合成法合成20 nm氧化镍（NiO）纳米颗粒，并制备含有5-50 wt.% NiO的多孔NiO浆料和碳浆料。 NiO浆料和NiO掺杂碳电极被应用于多层多孔钙钛矿太阳能电池的空穴传输层和背电极。研究发现，当仅应用NiO层时，空穴传输能力显着提高，尤其是器件的短路电流密度。另一方面，发现当仅应用NiO掺杂碳电极时，器件的开路电压特别提高。这样，通过以不同的方式将NiO应用到设备中，我们能够改善每个设备的特性。基于这项研究的结果，我们制作了一种同时应用NiO层和NiO掺杂碳电极的太阳能电池器件，光电转换效率从没有NiO的13.02%提高到有NiO的15.2%。。这一数字在该太阳能电池中属于世界最高效率之列。针对上述结果，我们进行了包括同步加速器软X射线在内的各种材料特性分析，以研究器件性能改进与材料特性之间的相关性。作为使用软X射线的价带评估的结果，表明添加10wt.％NiO的碳电极的态密度发生了变化。这表明碳上NiO颗粒的存在会引起电子扰动，并提高了通过混合金属氧化物和碳获得具有所需能级的电极材料的可能性。人们认为这种效应提高了开路电压。设备。由于使用碳电极，多层多孔钙钛矿太阳能电池一直受到低电压的困扰，但我们能够证明这些材料和器件设计可以克服这个缺点。