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中科院在鈣鈦礦電池領域取得重要進展

 有機-無機雜化的金屬鹵化物鈣鈦礦材料憑借其優異的光電性能、低原材料成本、以及簡單的制備工藝而備受關注。近十年來,隨著高性能鈣鈦礦材料的開發以及器件結構的創新優化,鈣鈦礦光伏器件的效率從3.8%迅速提高至25.2%,展現出了巨大的商業開發價值和市場競爭力。

然而,目前鈣鈦礦太陽能電池的工業化生產還面臨著不小的挑戰。

一方面鈣鈦礦光伏器件的實際應用受制于鈣鈦礦活性層以及載流子傳輸層的弱穩定性,例如鈣鈦礦材料在光照、加熱以及濕度下易分解,器件中常用的金屬氧化物電子傳輸層(SnO2、TiO2等)在紫外光下產生電子空穴復合,兩者共同作用嚴重限制了鈣鈦礦光伏器件工作穩定性。

另一方面,鈣鈦礦薄膜的大面積制備技術還不成熟,從實驗室規模小面積器件向工業化大面積組件的過渡存在一定挑戰。針對這兩方面問題,中科院寧波材料所葛子義研究員團隊開展了一系列前瞻性研究。

在穩定性提高方面,3D/2D共混結構鈣鈦礦被廣泛應用于穩定高效太陽能電池的制備。而近期,葛子義團隊發現這種共混結構中2D鈣鈦礦并不穩定,快速的成膜過程使2D鈣鈦礦中存在大量的結構缺陷,導致其在濕度下易分解,造成穩定性降低。為解決這一問題,團隊在2D鈣鈦礦中引入堿金屬離子(K+ , Rb+)摻雜,一方面通過優化2D鈣鈦礦的結晶與成膜過程制備低缺陷態薄膜;另一方面不同尺寸大小的堿金屬離子能調控2D鈣鈦礦晶體取向,促進薄膜中的載流子傳輸。兩者的協同作用同時提高了3D/2D共混鈣鈦礦光伏器件的光電效率及穩定性:光電轉化效率達21%,且器件在40-60%濕度的空氣中老化1200小時仍保持93%的初始效率。相關結果發表于Nano Lett.,2020, 20, 1240-1251。

為了進一步解決器件中載流子傳輸層存在的穩定性問題,團隊設計合成了一種小分子界面材料MSAPBS用于SnO2界面缺陷鈍化。通過與美國西北大學Tobin J. Marks教授課題組的合作,將該類界面材料引入到經典平面異質結結構鈣鈦礦太陽電池中,自下而上地鈍化了器件前界面和鈣鈦礦吸收層的體相缺陷態,抑制了器件的遲滯效應,顯著提升了器件的光電轉換效率(21.18%)、環境濕熱穩定性和光照穩定性(如圖1所示)。相關研究工作發表于Adv. Mater.,2019, 31,1903239。上述兩項工作的完成為實現穩定鈣鈦礦光伏器件的開發技術提供了新的思路,為推動鈣鈦礦光伏器件的商業化應用奠定了堅實基礎。

圖1. (a)采用不同電子傳輸層的最優器件的J-V曲線, (b)器件性能參數統計分布, (c)器件的遲滯特性

(d)器件的穩態輸出, (e,f)器件的濕熱穩定性測試, (g)光照穩定性測試。

團隊近期在鈦礦薄膜的大面積制備領域發表綜述論文,通過對鈣鈦礦成核和晶體生長動力學的深入探討(引入LaMer和Ostwald模型),闡明了快速成核與緩慢結晶是制備高質量低缺陷態鈣鈦礦薄膜的關鍵。并且從結晶與成核兩方面分類總結目前常用的薄膜工程技術,為其他優化方法的開發提供理論基礎。

圖2. 大面積沉積技術制備方法

此外,團隊還討論了各類大面積沉積技術的工作原理,包括噴涂、狹縫涂布、刮涂、噴墨印刷和蒸氣/真空法(如圖2所示),揭示了前驅體溶液的物理性質(包括黏度、密度、表面能等)和基底的表面性能/溫度是決定薄膜質量的關鍵。這些關于大面積制膜的機理討論為鈣鈦礦光伏器件的大規模工業化制備提供了思路。綜述發表于Chem. Soc. Rev.,2020, 49, 1653-1687,且被選為封面論文。

以上工作得到了國家杰出青年科學基金(21925506)、國家重點研發計劃(2016YFB0401000)、浙江省杰出青年基金(LR16B040002)等項目資助。



20-03-29 16:40    回復
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