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潘旭研究员团队在高效稳定钙钛矿太阳电池的研究方面取得新进展
发布时间:2021-11-19 作者:刘国震

      近期,重点实验室潘旭研究员团队在钙钛矿太阳电池研究方面取得新进展,相关成果以“Mixed-Phase Low-Dimensional Perovskite-Assisted Interfacial Lead Directional Management for Stable Perovskite Solar Cells with Efficiency over 24%”为题发表在ACS Energy Letters (ACS Energy Lett., 6, 4395–4404 (2021))上。

      有机-无机卤化物钙钛矿是近年来光电领域备受关注的材料之一,由于独特的光电特性,目前钙钛矿太阳电池的认证光电转化效率已经达到25.5%,展现出巨大的应用前景。然而钙钛矿材料由于离子特性,在吸光层薄膜热退火的制备过程中不可避免地产生大量缺陷,这无疑会成为载流子的非辐射复合中心,影响太阳电池的开路电压,进而导致电池效率的下降。此外,研究表明,界面处大量缺陷的存在会加快钙钛矿薄膜的降解,严重影响器件的长期稳定性。因此,有效的界面缺陷管理对于进一步提高器件效率和环境稳定性至关重要。

      研究团队通过引入2-甲硫基-2-咪唑啉(MT-Im)阳离子,设计新型低维钙钛矿材料并引入钙钛矿吸光层和空穴传输层界面。由于MT-Im阳离子既可以作为电子受体,又可以作为电子给体,能够对界面多元性的铅(Pb)基缺陷进行定向管理。其中-C=N和-S-CH3基团表现出路易斯酸性,与未配位的Pb2+形成Pb-N和Pb-S配位键,抑制Pb0的产生;NH2+基团又可以与PbI3-(Pb-I反位缺陷)形成配位键,锚定Pb2+离子。通过密度泛函理论(DFT)计算可知(图1a,b),含有MT-Im的钙钛矿界面处PbI和IPb缺陷形成能分别由0.57 eV和3.15 eV升高至0.97 eV和4.24 eV,可以有效抑制缺陷的产生。同时,研究发现,当调节MT-Im阳离子的浓度时,界面处低维钙钛矿呈现出混合晶相(图1c-e),有利于提高对于不同类型界面缺陷的钝化效果,实现稳定钙钛矿界面的作用。

      进一步研究结果表明,经MT-Im修饰的钙钛矿太阳电池表现出低缺陷密度、抑制的界面非辐射复合和高载流子传输,器件开路电压由1.14 V上升到1.19 V,呈现出24.07%的光电转化效率(稳态效率为23.25%,图2)。此外,由于稳定的低维钙钛矿层的保护作用,水分子入侵和功能层间的离子迁移被有效抑制,器件在湿度、温度和光照条件下的长期稳定性得到显著提升。该研究工作为高效率钙钛矿光伏器件制备过程中界面缺陷的定向管理提供了新思路。

图1. (a,b) DFT计算模型和不同界面缺陷的形成能;(c-e)低维钙钛矿的XRD测试结果。


图2. (a)基于低维钙钛矿界面修饰的钙钛矿太阳电池结构示意图;(b-f)器件光伏性能测试结果。


       以上研究工作得到了中国科学院特别研究助理资助项目、中国博士后科学基金、安徽省自然科学基金、合肥研究院院长基金等项目的资助。

      文章链接:https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsenergylett.1c01878