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我国学者在无机钙钛矿太阳能电池研究方面取得重要进展
2019年08月13日    作者: 庄乾坤 张国俊 陈拥军    发布 : 化学科学部

在国家自然科学基金项目(批准号:21777096、51861145101)等资助下,上海交通大学赵一新教授团队与瑞士联邦洛桑理工学院Grätzel教授、日本冲绳理工大学戚亚冰教授、吉林大学张立军教授、上海光源高兴宇研究员等团队开展合作研究,在全无机钙钛矿太阳能电池领域取得重要进展,获得了兼具高稳定性和高效率的β相CsPbI3无机钙钛矿。经中国计量院认证,光电转化效率高达18.3%,这是目前公开报道无机钙钛矿太阳能电池效率的最高记录。研究成果以“Thermodynamically stabilized β-CsPbI3-based perovskite solar cells with efficiencies >18%”(热力学稳定的β-CsPbI3基钙钛矿太阳能电池效率逾18%)为题,于2019年8月9日发表在Science(《科学》)上。

论文链接:https://science.sciencemag.org/content/365/6453/591

近年来,有机无机杂化铅卤钙钛矿太阳能电池效率获得了快速提升,但其化学稳定性差、易分解严重阻碍其商业化应用。相比之下,全无机CsPbI3钙钛矿具有优异的化学稳定性,即使耐受400摄氏度的高温也不发生分解;另外,~1.7 eV带隙的全无机CsPbI3钙钛矿与广泛使用的~1.1 eV带隙的晶硅可构建高效叠层太阳能电池。遗憾的是,全无机CsPbI3钙钛矿结构容忍因子过小,导致其体相稳定性差;同时由于I空位缺陷较多、界面能级匹配不理想,限制了器件效率的提升。赵一新在前期研究中证明了可以通过维度调控、有机阳离子表面端基化等方法挤压Pb-I八面体提高容忍因子,从而获得良好的相稳定性(Sci. Adv., 2017, 3, e1700841);通过Br梯度掺杂收缩Pb-I八面体提升容忍因子,进一步提高了CsPbI3钙钛矿的相稳定性,利用Br掺杂有效钝化了I空位缺陷,获得了17%的无机钙钛矿太阳能电池器件效率纪录(J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 12345)。

基于材料晶相的精准表征与理论计算,发现β相CsPbI3比γ相CsPbI3具有更加优异的相稳定性和光伏性能;在阐明额外的有机阳离子添加剂晶格不容纳机制基础上,赵一新与合作者利用有机阳离子诱导调控CsPbI3结晶动力学,合成出具有优异的本征体相稳定性和特定带隙(1.68 eV)的β相CsPbI3钙钛矿;发展了裂纹填充界面工程方法,以β-CsPbI3薄膜中的裂纹构建了钝化微通道,实现了β-CsPbI钙钛矿缺陷的全面钝化,优化了β-CsPbI3钙钛矿层与电荷传输层之间的能级匹配,将光伏器件最关键的开路电压和填充因子参数从1.01V和0.71分别提高至1.10 V和0.82,最终获得了>18%的光电转换效率。本工作对钙钛矿材料的结构研究、性能提升与实际应用均具有重要的指导意义。

赵一新.jpg

图:(A)无机β-CsPbI3钙钛矿的1.68 eV带隙的紫外可见吸收光谱; (B)精细结构解析GIWAXS图谱确认纯相β-CsPbI3钙钛矿; (C)基于裂纹填充界面工程方法的β-CsPbI3器件获得18.3%认证效率。

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