北理在高效率有機-無機雜化金屬鹵素鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性方面的研究新進展
發(fā)布日期：2020-10-12 供稿：前沿交叉科學(xué)研究院
編輯：朱倩云 審核：唐水源 閱讀次數(shù)：近日，國際化學(xué)與材料領(lǐng)域頂級期刊《能源與環(huán)境化學(xué)》（Energy & Environmental Science，影響因子30.289）報道了北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院崔彬彬課題組在高效率有機-無機雜化金屬鹵素鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性方面的研究新進展，相關(guān)研究成果以“In-situ Cross-linked 1D/3D Perovskite Heterostructure Improves Stability of Hybrid Perovskite Solar Cells for Over 3000h Operation”為題在線發(fā)表。該工作第一作者為北京理工大學(xué)博士研究生楊寧，通訊作者為北京理工大學(xué)前沿交叉院崔彬彬特別副研究員。該工作與北理工材料學(xué)院陳棋教授課題組共同完成。
近年來，有機-無機雜化金屬鹵素鈣鈦礦因其具有優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)換性能、組分多樣、帶隙可調(diào)且成本低廉等特性而受到廣泛研究和關(guān)注。目前，單節(jié)鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率從3.8%已經(jīng)提高到25.5%，用于綠色清潔能源的商業(yè)前景巨大。然而，由于金屬鹵素鈣鈦礦材料對周圍環(huán)境中的水、氧、熱和光較為敏感，提高吸收層和載流子傳輸界面的穩(wěn)定性是鈣鈦礦太陽能電池走向商業(yè)化需要面對的主要挑戰(zhàn)。與3D有機-無機雜化金屬鹵素鈣鈦礦相比，低維鈣鈦礦中的有機陽離子的疏水性使其具有良好的水穩(wěn)定性。1D和2D鈣鈦礦與3D鈣鈦礦構(gòu)建1D/3D或2D/3D異質(zhì)結(jié)構(gòu)，有顯著增強鈣鈦礦太陽能器件穩(wěn)定性的效果，但低維鈣鈦礦中有機陽離子的絕緣性會降低鈣鈦礦器件的載流子傳輸性能。因此，這種方法通常會以犧牲器件的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）為代價才得以提升鈣鈦礦太陽能電池的使用壽命。如果在這種策略中，在增強器件穩(wěn)定性的同時，保證低維鈣鈦礦載流子的傳輸能力，那么高效且穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽能電池就有望實現(xiàn)。
圖1 形成交聯(lián)1D類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)原理及核磁紅外表征
該團隊在有機-無機雜化的金屬鹵素3D鈣鈦礦活性層上構(gòu)建有機陽離子可原位交聯(lián)的1D超薄類鈣鈦礦（圖1a），不僅鈍化了晶界及界面處的碘空位缺陷，還能通過有機陽離子的聚合提高鈣鈦礦薄膜的抗外部老化的能力。最重要的是，通過交聯(lián)反應(yīng)形成的電子共軛結(jié)構(gòu)能夠改善載流子的傳輸性能，從而有效提高鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。同時PAI與過量的碘化鉛反應(yīng)形成1D類鈣鈦礦晶體材料，由[PbI6]4-八面體面共面構(gòu)成，有較好的水穩(wěn)定性和光穩(wěn)定性。通過恒溫加熱（150℃）15 min處理使無機1D鏈周圍的PA+陽離子發(fā)生原位聚合交聯(lián)反應(yīng)形成電子共軛結(jié)構(gòu)的聚合有機物，這使載流子也能在異質(zhì)結(jié)構(gòu)1D層中有效地傳輸，進而了增強界面間的電流傳輸。
圖2 改善界面載流子傳輸行為及應(yīng)力應(yīng)變相關(guān)表征
此外，利用深度分辨的掠入射X射線應(yīng)變測試，作者研究了混相鈣鈦礦多晶薄膜的殘余應(yīng)變。1D/3D鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，1D類鈣鈦礦薄膜中丙炔胺陽離子在加熱過程中發(fā)生聚合交聯(lián)后，鈣鈦礦活性層的殘余拉伸應(yīng)變變?yōu)閴嚎s應(yīng)變（圖2），這既有利于PSCs的光伏性能提升，又能提高其穩(wěn)定性。這一特征為鈣鈦礦材料界面應(yīng)變的調(diào)制提供了一種可行的方法。交聯(lián)1D/3D鈣鈦礦太陽能器件的最高光電轉(zhuǎn)化效率達到21.19%, 開路電壓Voc為1.11 V, 短路電流 J SC為23.69 mA · cm?2, 填充因子FF 為80.76%。與標準實驗器件相比，cross-linked 1D/3D器件的短路電流明顯提升。
圖3 PSCs在各種條件下的穩(wěn)定性測試
對器件穩(wěn)定性研究發(fā)現(xiàn)，在空氣環(huán)境中（濕度40-70%，溫度25-40℃），暗態(tài)儲存的交聯(lián)后1D/3D鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜經(jīng)1000小時老化后，碘化鉛與鈣鈦礦的含量比幾乎無變化。在氮氣氛圍下（濕度20-40%），暗態(tài)儲存的交聯(lián)前后1D/3D PSCs都保持了最初效率的97%。在氮氣氛圍下，經(jīng)過840小時連續(xù)0.8個模擬太陽照射后，交聯(lián)的1D/3D異質(zhì)結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽能電池器件幾乎都保持了最初效率的95.9%。本文根據(jù)ISOS-L-1規(guī)范化測試標準評估鈣鈦礦器件的穩(wěn)定性。在氮氣氛圍下，在最大功率點（MPP）測量3055小時后，交聯(lián)的1D/3D PSCs持續(xù)運行3055 h后仍可保持其93%的初始效率。
附
作者簡介：
崔彬彬，九三學(xué)社社員，助理教授。2011年-2016年在中科院化學(xué)研究所學(xué)習(xí)并獲得理學(xué)博士學(xué)位。其中，2015年9月-2016年4月在新加坡南洋理工大學(xué)進行訪問學(xué)習(xí)。現(xiàn)任北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院預(yù)聘助理教授（特別副研究員），博士生導(dǎo)師。主要研究方向為有機-無機雜化的光電功能材料，包括金屬鹵素鈣鈦礦光伏器件和低維鈣鈦礦晶體發(fā)光材料等。近年來在Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., J. Mater. Chem. A, Adv. Optical Mater., ACS Appl. Mater. Interfaces等期刊發(fā)表研究工作20余篇。主持國家自然科學(xué)基金面上和青年基金等項目。
論文詳情：
Ning Yang, Cheng Zhu, Yihua Chen, Huachao Zai, Chenyue Wang, Xi Wang, Hao Wang, Sai Ma, Ziyan Gao, Xueyun Wang, Jiawang Hong, Yang Bai, Huanping Zhou, Bin-Bin Cui* and Qi Chen. In-situ Cross-linked 1D/3D Perovskite Heterostructure Improves Stability of Hybrid Perovskite Solar Cells for Over 3000h Operation, doi: 10.1039/D0EE01736A.
教師主頁：http://arims.bit.edu.cn/xzdw/qnggjs/tbfyjy/104331.htm
論文鏈接：https://doi.org/10.1039/D0EE01736A
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