鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量:825次 | 2019年01月12日
高穩(wěn)定性模塊化鈣鈦礦太陽能電池的制備
金屬鹵化物鈣鈦礦作為一種直接帶隙半導(dǎo)體材料,具有結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性、帶隙可調(diào)、禁帶寬度合適、載流子遷移率高及成本低廉等優(yōu)點(diǎn),是第三代薄膜太陽能電池的代表性材料。然而三維鈣鈦礦對水氧的敏感性,導(dǎo)致器件在自然工作狀態(tài)下效率急劇衰減,嚴(yán)重阻礙了鈣鈦礦太陽能電池的商業(yè)化進(jìn)程。二維鈣鈦礦作為三維鈣鈦礦的延伸材料,因其疏水性和對光照的不敏感性,穩(wěn)定性大為提高。由于二維材料結(jié)構(gòu)的特殊性,電子或空穴受量子尺寸效應(yīng)限制,其壽命和遷移率遠(yuǎn)低于三維結(jié)構(gòu),因而其器件光電轉(zhuǎn)化效率明顯低于三維鈣鈦礦。這種穩(wěn)定性與高效率之間的矛盾成為實(shí)際應(yīng)用的一個難題。
在國家自然科學(xué)基金委、科技部和中國科學(xué)院的支持下,中科院化學(xué)研究所綠色印刷重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員宋延林課題組科研人員利用綠色納米印刷技術(shù),在鈣鈦礦單晶的精細(xì)圖案化組裝(Sci.Adv.2018,4,eaat2390)、印刷柔性太陽能電池(Adv.Mater.2017,29,1703236)和鈣鈦礦可穿戴器件(EnergyEnviron.Sci.DOI:10.1039/c8ee01799a)方面開展了一系列研究。
最近,該實(shí)驗(yàn)室的研究人員與澳門大學(xué)物理學(xué)院合作,成功將純相的二維鈣鈦礦引入到三維鈣鈦礦體系中,克服了載流子傳輸過程受量子尺寸效應(yīng)的限制,制備出了高度趨向性的2D-3D鈣鈦礦橫向抑制結(jié)薄膜,并利用印刷技術(shù)制備出高效率、高穩(wěn)定性的模塊化鈣鈦礦太陽能電池。
如上圖所示,他們選擇具有長鏈雙胺配體(EDBEPbI4)的二維鈣鈦礦,一方面抑制了多種二維相的形成,保證二維鈣鈦礦的超強(qiáng)疏水性。另一方面,二維鈣鈦礦中的胺分子可以與三維鈣鈦礦中的有機(jī)陽離子發(fā)生配位作用,可以使純相二維鈣鈦礦鑲嵌在三維鈣鈦礦晶界處,抑制載流子自晶界處的非輻射復(fù)合,阻擋水和氧在從晶界處腐蝕薄膜,得到了光電轉(zhuǎn)換效率超過21%的鈣鈦礦太陽能電池。
通過印刷技術(shù)制備出的模塊化組件,在自然條件下,經(jīng)過3000小時(shí)的衰減測試,其光電轉(zhuǎn)換效率仍然保持在初始值的90%以上。500小時(shí)的光照測試,模塊化組件效率衰減不足10%。通過這種二維-三維鈣鈦礦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),同時(shí)實(shí)現(xiàn)了超高效率和超穩(wěn)定性的模塊化鈣鈦礦太陽能電池,對推動鈣鈦礦太陽能電池的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。該研究成果近日發(fā)表在《先進(jìn)材料》(Adv.Mater.DOI:10.1002/adma.201805323)上。
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