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定性方面的研究新進展


  近日,國際化學與材料領域頂級期刊《能源與環境化學》(Energy & Environmental Science,影響因子30.289)報道了北京理工大學前沿交叉科學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定性方面的研究新進展,相關研究成果以“In-situ Cross-linked 1D/3D Perovskite Heterostructure Improves Stability of Hybrid Perovskite Solar Cells for Over 3000h Operation”為題在線發表。該工作第一作者為北京理工大學博士研究生楊寧,通訊作者為北京理工大學前沿交叉院崔彬彬特別副研究員。該工作與北理工材料學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異的光電轉換性能、組分多樣、帶隙可調且成本低廉等特性而受到廣泛研究和關注。目前,單節鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率從3.8%已經提高到25.5%,用於綠色清潔能源的商業前景巨大。然而,由於金屬鹵素鈣鈦礦材料對周圍環境中的水、氧、熱和光較為敏感,提高吸收層和載流子傳輸界面的穩定性是鈣鈦礦太陽能電池走向商業化需要面對的主要挑戰。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定性。1D和2D鈣鈦礦與3D鈣鈦礦構建1D/3D或2D/3D異質結構,有顯著增強鈣鈦礦太陽能器件穩定性的效果,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,在增強器件穩定性的同時,保證低維鈣鈦礦載流子的傳輸能力,那麼高效且穩定的鈣鈦礦太陽能電池就有望實現。

圖1 形成交聯1D類鈣鈦礦結構原理及核磁紅外表徵

  該團隊在有機-無機雜化的金屬鹵素3D鈣鈦礦活性層上構建有機陽離子可原位交聯的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,通過交聯反應形成的電子共軛結構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換效率。同時PAI與過量的碘化鉛反應形成1D類鈣鈦礦晶體材料,由[PbI6]4-八面體面共面構成,有較好的水穩定性和光穩定性。通過恆温加熱(150℃)15 min處理使無機1D鏈周圍的PA+陽離子發生原位聚合交聯反應形成電子共軛結構的聚合有機物,這使載流子也能在異質結構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力應變相關表徵

  此外,利用深度分辨的掠入射X射線應變測試,作者研究了混相鈣鈦礦多晶薄膜的殘餘應變。1D/3D鈣鈦礦異質結構中,1D類鈣鈦礦薄膜中丙炔胺陽離子在加熱過程中發生聚合交聯後,鈣鈦礦活性層的殘餘拉伸應變變為壓縮應變(圖2),這既有利於PSCs的光伏性能提升,又能提高其穩定性。這一特徵為鈣鈦礦材料界面應變的調製提供了一種可行的方法。交聯1D/3D鈣鈦礦太陽能器件的最高光電轉化效率達到21.19%, 開路電壓Voc為1.11 V, 短路電流 J SC為23.69 mA · cm2, 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在各種條件下的穩定性測試

  對器件穩定性研究發現,在空氣環境中(濕度40-70%,温度25-40℃),暗態儲存的交聯後1D/3D鈣鈦礦異質結構薄膜經1000小時老化後,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%),暗態儲存的交聯前後1D/3D PSCs都保持了最初效率的97%。在氮氣氛圍下,經過840小時連續0.8個模擬太陽照射後,交聯的1D/3D異質結構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ISOS-L-1規範化測試標準評估鈣鈦礦器件的穩定性。在氮氣氛圍下,在最大功率點(MPP)測量3055小時後,交聯的1D/3D PSCs持續運行3055 h後仍可保持其93%的初始效率。

    

作者簡介:

  崔彬彬,九三學社社員,助理教授。2011年-2016年在中科院化學研究所學習並獲得理學博士學位。其中,2015年9月-2016年4月在新加坡南洋理工大學進行訪問學習。現任北京理工大學前沿交叉科學研究院預聘助理教授(特別副研究員),博士生導師。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等期刊發表研究工作20餘篇。主持國家自然科學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://arims.bit.edu.cn/xzdw/qnggjs/tbfyjy/104331.htm

論文鏈接://doi.org/10.1039/D0EE01736A

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