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寧波材料所在鈣鈦礦太陽能電池研究中取得系列進展
責編:李曉燕 發布時間:2022-03-03 13:15:23 瀏覽次數:

   近年來,鈣鈦礦型太陽能電池(PSCs)以其優異的光電特性和低廉的生產成本在光伏領域得到發展。隨著器件結構、鈣鈦礦結構、電荷傳輸層等方面的進步,PSC的光伏效率已達25.7%,可與成熟開發的薄膜和硅基太陽能電池相媲美。但是,鈣鈦礦電池在空氣中的長時間穩定性問題和層與層之間的表面缺陷限制了鈣鈦礦電池的商業化。為促進鈣鈦礦太陽能電池的進一步發展,中國科學院寧波材料技術與工程研究所研究員葛子義與副研究員劉暢等人通過界面工程(Adv. Energy Mater. 2021, 11, 39; Infomat 2021, 3, 1431)和新型二維材料設計(Nano Energy 2022, 93, 106800)等手段,大幅提升了鈣鈦礦光伏器件效率和穩定性。

 

   SnO2表面的氧空位和陷阱態是制約器件效率的重要因素,對此,科研人員創新性地提出了具有高結構靈活性的n型共軛小分子鈍化SnO2表面缺陷,以實現高質量成膜和有序分子堆積,從而提高SnO2表面的鈍化效果。為進一步嘗試調整有機鈍化劑的聚集和分子堆積,并深入研究它們與SnO2/鈣鈦礦界面處電荷傳輸/重組動力學的相關性,科研人員通過側鏈工程設計出Y系列衍生物(BTAC4)。4-苯基丁基連接在苯并三唑核上,作為增加空間位阻并進一步降低自聚集程度的一種手段可提高小分子的成膜能力。此外,與支鏈烷基側鏈相比,線性側鏈可能導致主鏈緊密堆積。通過平行研究SnO2/Y6/鈣鈦礦和SnO2/BTAC4/鈣鈦礦界面的光電特性,研究發現小分子更緊湊和規則的堆疊產生了更有利的界面特性、較低的陷阱態、更高的電子傳導/提取效率,并抑制電荷復合?;贐TAC4有機鈍化劑的PSC實現了超過23%的優異光電轉換效率,以及1.252V的高開路電壓,是迄今為止基于CsFAMA鈣鈦礦體系報告的最高開路電壓值。未封裝的器件在35%濕度下儲存768小時后仍保持90%的初始功率轉換效率(PCE),具有出色的穩定性。相關研究成果以π-Conjugated Small Molecules Modified SnO2 Layer for Perovskite Solar Cells with over 23% Efficiency為題,發表在Advanced Energy Materials上(DOI: 10.1002/aenm.202101416)。
 
   CsPbI2Br的帶隙可以通過改變Br/I比進行微調,因此成為構建串聯太陽能電池的理想選擇。然而,在潮濕環境下,無機PSC的發展仍然面臨相穩定性挑戰。已有報告揭示,水分暴露易觸發CsPbI1-xBrx從光活性α相到黃色δ相的相變,因為水分導致共角八面體[PbI6]4-的畸變,并增加鈣鈦礦晶粒之間的缺陷誘導局部應力。對此,科研人員設計出一種共軛p型小分子與無機鈣鈦礦表面相互作用,對器件性能產生了雙重作用。一方面,來自小分子O和S的孤對電子可以與來自鈣鈦礦的未配位Pb形成共價鍵,大幅降低陷阱態,并在鈣鈦礦晶粒處釋放缺陷誘導的微應變。另一方面,在小分子的退火過程中,它可以誘導無機鈣鈦礦晶體的二次生長,從而使鈣鈦礦薄膜的形貌細化,結晶度提高。上述協同效應使無機鈣鈦礦薄膜在潮濕條件下具有更高的相穩定性。因此,經小分子處理的基于CsPbI2Br的PSC實現了16.25%的PCE,可與迄今為止最先進的CsPbI2Br鈣鈦礦器件媲美。此外,該裝置在室溫(相對濕度為25%)下老化500小時,仍可保持80%的初始PCE,表現出優異的水分穩定性。該工作以Improved phase stability of CsPbI2Br perovskite by released microstrain towards highly efficient and stable solar cells為題,在線發表在InfoMat上(DOI: 10.1002/inf2.12246)。
 
   傳統3D鈣鈦礦在濕氣環境中極易分解,因而限制了光伏器件的實際應用。二維鈣鈦礦較三維材料具有優異的濕度及光照穩定性,近幾年被廣泛研究。然而,二維鈣鈦礦絕緣有機中間層與鈣鈦礦無機層間具有差異較大的介電常數,導致材料激子結合能大、載流子傳輸受阻,使2D鈣鈦礦器件光伏性能遠低于3D器件。為從材料上克服上述缺陷,科研人員創新性地設計出一種D-A-D(D:電子給體;A:電子受體)型強共軛有機中間層結構,通過D、A間內電荷轉移效應降低有機中間層能帶帶隙,弱化量子阱限域效應,使2D鈣鈦礦的光電性能與3D結構相似,有助于提高激子分離與載流子傳輸性能,實現2D鈣鈦礦器件效率超18%,是目前低維(n≤4)鈣鈦礦器件的最高效率之一,并且器件在濕氣環境中老化1000小時衰減小于5%,表現出優異的濕度穩定性??蒲腥藛T解決了2D鈣鈦礦存在的本征光電性能缺陷,并拓寬了2D鈣鈦礦材料的設計范圍。相關研究成果以Donor-Acceptor-Donor Type Organic Spacer for Regulating the Quantum Wells of Dion-Jacobson 2D Perovskites為題,發表在Nano Energy上(DOI:10.1016/j.nanoen.2021.106800)。
 
   上述研究工作得到國家杰出青年科學基金、國家重點研發計劃、國家自然科學基金、寧波市科技創新2025重大專項、中科院前沿科學重點研究計劃等的支持。 
 
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鈣鈦礦光伏器件性能優化手段

                                                                                                                                             (來源:寧波材料技術與工程研究所 )
 
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