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(duì)與合作者提出簡(jiǎn)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(zhǎng)了疊層太陽(yáng)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(duì)近四年來(lái)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(jiǎn)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(guò)調(diào)控前驅(qū)液中優(yōu)勢(shì)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(yáng)能電池的效率與長(zhǎng)期運(yùn)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(duì)與復(fù)雜環(huán)境科學(xué)探測(cè)研究團(tuán)隊(duì)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(lái),，有機(jī)無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦半導(dǎo)體材料及光電器件（如太陽(yáng)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(yáng)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(guó)晶體硅光伏產(chǎn)業(yè)的技術(shù)優(yōu)勢(shì),，是可再生能源領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點(diǎn)，也是我國(guó)實(shí)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(yáng)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(guò)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(zhǎng)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(yàn)證
改善寬帶隙鈣鈦礦的晶體質(zhì)量和織構(gòu)特性需要對(duì)其結(jié)晶生長(zhǎng)過(guò)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(diǎn)的結(jié)晶途徑會(huì)相互競(jìng)爭(zhēng),，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(duì)這一問(wèn)題,，團(tuán)隊(duì)提出了一種簡(jiǎn)單普適的晶核工程策略,，通過(guò)在前驅(qū)液中簡(jiǎn)單地添加長(zhǎng)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(shì)晶核,，大幅抑制了其他非理想晶核的產(chǎn)生。同時(shí)結(jié)合真空抽氣薄膜沉積技術(shù),，減少晶核生長(zhǎng)過(guò)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(cè)試結(jié)果
應(yīng)用晶核工程,，團(tuán)隊(duì)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(yáng)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(píng)估為32.0%）和29.4%（第三方評(píng)估為28.9%）的光電轉(zhuǎn)換效率,。同時(shí),，這些薄膜也表現(xiàn)出更好的光熱穩(wěn)定性。光老化200小時(shí)后,，薄膜的PL波長(zhǎng)漂移得到顯著抑制,。85°C熱老化831小時(shí)后，薄膜的XRD信號(hào)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(yáng)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(shí)和800小時(shí)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(zhǎng)的運(yùn)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(yùn)行56小時(shí)后，依然保留了初始效率的90.4%,。
該工作得到科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目,、國(guó)家自然基金委區(qū)域聯(lián)合重點(diǎn)項(xiàng)目,、面上項(xiàng)目、青年項(xiàng)目,、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)項(xiàng)目,、新基石科學(xué)基金會(huì)所設(shè)立的科學(xué)探索獎(jiǎng)等的聯(lián)合資助。
附作者簡(jiǎn)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(zhǎng)，博士生導(dǎo)師,。先后入選教育部國(guó)家級(jí)領(lǐng)軍人才,，國(guó)家級(jí)青年人才計(jì)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(jī)無(wú)機(jī)雜化及復(fù)合材料的開(kāi)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(yáng)能電池,、儲(chǔ)能電池、傳感器,、探測(cè)器等各類新型光電器件,。圍繞有機(jī)/無(wú)機(jī)雜化的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，在吸光層材料溶液生長(zhǎng)制備,、新型低維發(fā)光鈣鈦礦材料設(shè)計(jì)合成,、新型封裝材料和工藝開(kāi)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(kāi)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(guò)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(zhǎng)期從事有機(jī)無(wú)機(jī)雜化材料的可控合成與薄膜生長(zhǎng),、光電器件構(gòu)筑等研究。圍繞新一代高效穩(wěn)定的有機(jī)無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦基單結(jié)與疊層太陽(yáng)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(chǎng)耦合老化降解機(jī)制探索,、長(zhǎng)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(xiàng)國(guó)家級(jí)、校級(jí)項(xiàng)目,，包括國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目,、北京理工大學(xué)青年啟動(dòng)計(jì)劃，作為項(xiàng)目骨干參與科技部“十四五”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等,。
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