北理工科研成果在《Science》發(fā)表
發(fā)布日期：2024-08-02 供稿：前沿交叉科學(xué)研究院
編輯：吳楠 審核：陳棋 閱讀次數(shù)：
8月2日，北京理工大學(xué)陳棋教授團(tuán)隊與合作者提出簡單普適的晶核工程策略，顯著改善寬帶隙鈣鈦礦吸光層質(zhì)量，極大延長了疊層太陽能電池的使用壽命，相關(guān)成果發(fā)表在《Science》上。這是陳棋團(tuán)隊近四年來在《Science》上發(fā)表的第三篇文章。
文章題為“Nuclei engineering for even halide distribution in stable perovskite/silicon tandem solar cells”，提出了一種簡單普適的寬帶隙鈣鈦礦結(jié)晶控制策略——晶核工程。該策略通過調(diào)控前驅(qū)液中優(yōu)勢晶核，優(yōu)化了寬帶隙鈣鈦礦薄膜的織構(gòu)，提升了薄膜質(zhì)量，由此顯著提高了鈣鈦礦/晶硅疊層太陽能電池的效率與長期運行穩(wěn)定性。
該研究工作是北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院能源光電子團(tuán)隊與復(fù)雜環(huán)境科學(xué)探測研究團(tuán)隊的學(xué)科交叉研究成果。論文第一作者為北京理工大學(xué)材料學(xué)院陳怡華助理教授，博士研究生楊寧，中科院上海高等研究院同步輻射中心鄭官豪杰副研究員。通訊作者為材料學(xué)院陳怡華助理教授，北京曜能科技有限公司吳頤良博士，北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院陳棋教授，北京理工大學(xué)為第一完成單位。
近年來，有機無機雜化鈣鈦礦半導(dǎo)體材料及光電器件（如太陽能電池、發(fā)光二極管等）取得了飛速的發(fā)展。其中鈣鈦礦/晶硅疊層太陽能電池既結(jié)合了鈣鈦礦材料優(yōu)異的光電性質(zhì)，又可以發(fā)揮我國晶體硅光伏產(chǎn)業(yè)的技術(shù)優(yōu)勢，是可再生能源領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點，也是我國實現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重要支撐技術(shù)之一。鈣鈦礦/晶硅疊層太陽能電池通常使用具有復(fù)雜組分的寬帶隙材料作為頂部電池的吸光層，這類材料在使役過程中因其結(jié)晶質(zhì)量差，容易發(fā)生離子遷移和相分離，導(dǎo)致鈣鈦礦/晶硅疊層電池的長期穩(wěn)定性和使用壽命不盡理想。
圖1 晶核工程示意圖及策略的普適性驗證
改善寬帶隙鈣鈦礦的晶體質(zhì)量和織構(gòu)特性需要對其結(jié)晶生長過程進(jìn)行精準(zhǔn)的控制。然而這類材料組分復(fù)雜，以不同的晶核為起點的結(jié)晶途徑會相互競爭，最終導(dǎo)致薄膜存在多種相態(tài)且組分分布不均一，產(chǎn)生大量缺陷。針對這一問題，團(tuán)隊提出了一種簡單普適的晶核工程策略，通過在前驅(qū)液中簡單地添加長鏈烷基胺，如油胺碘，形成具有均勻組分分布的單一3C相優(yōu)勢晶核，大幅抑制了其他非理想晶核的產(chǎn)生。同時結(jié)合真空抽氣薄膜沉積技術(shù)，減少晶核生長過程中局部環(huán)境的影響，從而制備出高結(jié)晶性且晶面取向高度集中的高質(zhì)量寬帶隙鈣鈦礦薄膜。
圖2 應(yīng)用晶核工程后寬帶隙薄膜與器件的穩(wěn)定性測試結(jié)果
應(yīng)用晶核工程，團(tuán)隊制備出具有更低非輻射復(fù)合損失的寬帶隙鈣鈦礦薄膜與鈣鈦礦/晶硅疊層太陽能電池。基于1平方厘米和25平方厘米活性面積的器件分別取得了32.5%（第三方評估為32.0%）和29.4%（第三方評估為28.9%）的光電轉(zhuǎn)換效率。同時，這些薄膜也表現(xiàn)出更好的光熱穩(wěn)定性。光老化200小時后，薄膜的PL波長漂移得到顯著抑制。85°C熱老化831小時后，薄膜的XRD信號與初始狀態(tài)保持一致，晶體質(zhì)量保持良好。封裝的鈣鈦礦/晶硅疊層太陽能電池于標(biāo)準(zhǔn)光照條件下，在25°C和50°C分別跟蹤1301小時和800小時后，保持了初始效率的98.3%和90%，相比較于未優(yōu)化的樣品，具有更長的運行壽命。此外，器件也展現(xiàn)出在臨近空間等極端環(huán)境應(yīng)用的可能性。封裝后的器件在全譜光照、245 K、5 kPa 低氣壓下運行56小時后，依然保留了初始效率的90.4%。
該工作得到科技部重點研發(fā)計劃項目、國家自然基金委區(qū)域聯(lián)合重點項目、面上項目、青年項目、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)項目、新基石科學(xué)基金會所設(shè)立的科學(xué)探索獎等的聯(lián)合資助。
附作者簡介：
陳棋，北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院教授，北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院教授/院長，博士生導(dǎo)師。先后入選教育部國家級領(lǐng)軍人才，國家級青年人才計劃，獲北京市自然科學(xué)基金杰出青年基金資助。主要從事有機無機雜化及復(fù)合材料的開發(fā)與應(yīng)用研究，材料廣泛應(yīng)用于能源、光電等領(lǐng)域，具體包括太陽能電池、儲能電池、傳感器、探測器等各類新型光電器件。圍繞有機/無機雜化的鈣鈦礦太陽能電池，在吸光層材料溶液生長制備、新型低維發(fā)光鈣鈦礦材料設(shè)計合成、新型封裝材料和工藝開發(fā)、多層薄膜應(yīng)力-應(yīng)變調(diào)控、界面修飾改性等方面開展了系統(tǒng)性的研究工作。迄今以一作/通訊作者發(fā)在Science, Nat. Commun., Angew. Chem. Int. ed., Adv. Mater.等權(quán)威期刊發(fā)表SCI論文100余篇，H-Index 71，總引用超過35000次，多年入選“科睿唯安全球高被引科學(xué)家”。
陳怡華，北京理工大學(xué)材料學(xué)院助理教授，碩士生導(dǎo)師，長期從事有機無機雜化材料的可控合成與薄膜生長、光電器件構(gòu)筑等研究。圍繞新一代高效穩(wěn)定的有機無機雜化鈣鈦礦基單結(jié)與疊層太陽能電池技術(shù)，在前驅(qū)體酸堿控制、異質(zhì)結(jié)界面優(yōu)化、離子與載流子行為調(diào)控、多場耦合老化降解機制探索、長期穩(wěn)定性提升等方面有深入系統(tǒng)的研究，相關(guān)研究成果已發(fā)表學(xué)術(shù)論文40余篇，以第一/通訊作者（含共）在Science、Nature Communications、Joule、Progress in Materials Science、Advanced Materials、Advanced Energy Materials等期刊上發(fā)表SCI論文10余篇，論文總引用超6300次，H-Index 30，主持多項國家級、校級項目，包括國家自然科學(xué)基金青年項目、北京理工大學(xué)青年啟動計劃，作為項目骨干參與科技部“十四五”重點研發(fā)計劃等。
分享到：