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无机钙钛矿电池性能调控方面取得新进展!

国际太阳能光伏网  来源:中国科学院网站  日期:2019-05-20
   近日,中国科学院大连化学物理研究所薄膜硅太阳能电池研究组研究员刘生忠团队在无机钙钛矿电池性能调控方面取得新进展,相关成果在Advanced Energy Material和Nano Energy上发表。

  有机-无机金属卤化钙钛矿太阳电池因具有较高的光电转换效率而受到广泛关注,近年来发展迅速,成为光伏领域的研究热点,但由于钙钛矿晶体结构中有机阳离子与碘铅八面体之间作用力较弱,致使该材料在外界条件刺激下容易分解,制约其进一步发展。相比之下,全无机钙钛矿材料(CsPbX3, X=I, Br)因其优异的热稳定性成为钙钛矿电池领域的新兴研究热点,然而基于无机钙钛矿材料的光伏器件内部非辐射复合较为严重,因此其光电性能仍具有较大提升空间。


大连化物所在无机钙钛矿电池性能调控方面取得进展

 
  为了提高无机钙钛矿电池光电转换效率,积极发展无机钙钛矿性能调控策略,该团队刘生忠和王开等人采用不同策略抑制器件内部电子复合。一般情况下,器件内非辐射复合可分为界面复合和钙钛矿薄膜内非辐射复合两部分。针对界面复合,该团队采用镧系金属溴化物修饰电子传输层/钙钛矿界面,从而在界面处形成梯度式能带结构,达到抑制界面电子复合的目的,同时界面修饰可通过强化功能层间相互作用来促进电子动力学过程。基于该策略,该团队将基于CsPbIBr2的钙钛矿电池性能提高到10.88%,处于此领域较高水平;针对钙钛矿薄膜内非辐射复合,该团队采用金属钡离子掺杂的策略来抑制这一过程,在研究中发现,虽然钡离子半径不满足Goldschmidt几何规律的要求,但其仍然可以改善钙钛矿材料光电性能,并提高器件稳定性。该研究表明钙钛矿材料对金属杂离子具有较高的容忍度。以上工作为无机钙钛矿性能调控提供了依据,在一定程度上推进了无机钙钛矿电池的发展。

  该工作得到国家重点研究与发展计划、中央高校基础研究基金、国家自然科学基金、辽宁省博士启动基金、111项目、长江学者创新团队项目等的资助。

  另外,中科院化学所绿色印刷院重点实验室也在钙钛矿电池领域取得进展。

  近年来,基于铅的有机/无机杂化钙钛矿材料受到了极大的关注,成为太阳电池研究的热点方向,其最高光电转换效率已达到23%。然而,由于这类材料结晶性强,利用常规的溶液涂布方法和采用常用的钙钛矿前驱体,很难控制钙钛矿薄膜的成核和结晶,导致薄膜的覆盖度低和光伏器件性能重复性差,可能制约着其进一步的推广应用。

  在国家自然科学基金委的支持下,中科院化学所绿色印刷院重点实验室科研人员在前期染料敏化太阳电池研究基础上,针对目前钙钛矿溶液涂布存在的问题,利用固-气反应方法,通过有机阳离子交换途径制备高质量的钙钛矿薄膜,光伏器件性能得到显著提高。

  最近该研究团队通过固-气反应实现了一维HAPbI3(HA=N2H4+)到三维非铅类锡钙钛矿MASnI3(MA=CH3NH3+)的转变。由于这种一维钙钛矿前驱体具有良好的成膜性,固-气反应后的三维钙钛矿薄膜在二氧化钛基底上具有很好的覆盖度。更重要的是,在阳离子置换过程中,由内部置换产生的肼气体可以有效地原位还原薄膜内部可能存在的四价锡,显著降低薄膜中载流子浓度,从而改善光生载流子输运。利用这种锡钙钛矿薄膜作为光吸收层,采用典型的二氧化钛介孔结构的钙钛矿电池在一个标准太阳光下的光电转化效率达到7.13%。

  延伸阅读——

  钙钛矿简介

  与传统的太阳能电池不同,钙钛矿太阳能电池采用有机金属卤化物作吸光材料,这也是钙钛矿太阳能电池的核心材料,代替了染料敏化太阳能电池中的染料分子和有机薄膜太阳能电池中的吸光层。目前在高效钙钛矿太阳能电池中,最常见的钙钛矿材料为碘化铅甲胺(CH3NH3PbI3),其带隙约为1.5 eV。因此,从广义上讲,钙钛矿太阳能电池使用了具有钙钛矿晶体结构的有机金属卤化物的一种太阳能电池技术。

  钙钛矿太阳能电池优缺点简析

  钙钛矿太阳能电池的原材料储量丰富,制备工艺简单,有利于商业化生产。其中,钙钛矿层具有低的结晶能,可以通过低温液相法或气相沉积法得到缺陷密度低的高质量纳米晶薄膜。此外,可以通过改变材料的组分来调节带隙宽度,从而满足不同的使用场景。因此,与现有的成熟晶硅太阳能电池技术相比极具优势,也为钙钛矿太阳能电池的商业化应用带来了乐观的前景。

  当然,钙钛矿太阳能电池也有自身的缺点。这种有机金属卤化物钙钛矿晶体结构不稳定,对湿度、紫外光和温度等环境因素敏感。在室外环境中老化数日就显著分解,未封装的器件性能也随之衰减;目前转换效率较高的钙钛矿太阳能电池的尺寸均为实验室级别,随着电池尺寸的增加,其光电转换效率会随之下降;钙钛矿太阳能电池中一般都含有铅元素,对人体和环境都有极大的危害。

  受限于该材料自身的缺点以及大面积器件光电转换效率较低等因素的制约,目前钙钛矿太阳能电池仍以实验开发完善为主,少有几个国内外的公司正在尝试钙钛矿太阳能电池的产业化生产及应用。
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