北理在高效率有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化金屬鹵素鈣鈦礦太陽(yáng)能電池穩(wěn)定性方面的研究新進(jìn)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(guó)際化學(xué)與材料領(lǐng)域頂級(jí)期刊《能源與環(huán)境化學(xué)》（Energy & Environmental Science，影響因子30.289）報(bào)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(jī)-無(wú)機(jī)雜化金屬鹵素鈣鈦礦太陽(yáng)能電池穩(wěn)定性方面的研究新進(jìn)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(lái)，有機(jī)-無(wú)機(jī)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(yáng)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(duì)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(yáng)能電池走向商業(yè)化需要面對(duì)的主要挑戰(zhàn)。與3D有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化金屬鹵素鈣鈦礦相比，低維鈣鈦礦中的有機(jī)陽(yáng)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(qiáng)鈣鈦礦太陽(yáng)能器件穩(wěn)定性的效果，但低維鈣鈦礦中有機(jī)陽(yáng)離子的絕緣性會(huì)降低鈣鈦礦器件的載流子傳輸性能。因此，這種方法通常會(huì)以犧牲器件的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）為代價(jià)才得以提升鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的使用壽命。如果在這種策略中，在增強(qiáng)器件穩(wěn)定性的同時(shí)，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(yáng)能電池就有望實(shí)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(tuán)隊(duì)在有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化的金屬鹵素3D鈣鈦礦活性層上構(gòu)建有機(jī)陽(yáng)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(jī)陽(yáng)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(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。同時(shí)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(wú)機(jī)1D鏈周圍的PA+陽(yáng)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(jī)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(jìn)而了增強(qiáng)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(cè)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(yáng)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(yáng)能器件的最高光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)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(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)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(cè)試
對(duì)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(chǔ)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(shí)老化后，碘化鉛與鈣鈦礦的含量比幾乎無(wú)變化。在氮?dú)夥諊拢穸?0-40%），暗態(tài)儲(chǔ)存的交聯(lián)前后1D/3D PSCs都保持了最初效率的97%。在氮?dú)夥諊拢?jīng)過840小時(shí)連續(xù)0.8個(gè)模擬太陽(yáng)照射后，交聯(lián)的1D/3D異質(zhì)結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽(yáng)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(cè)試標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估鈣鈦礦器件的穩(wěn)定性。在氮?dú)夥諊拢谧畲蠊β庶c(diǎn)（MPP）測(cè)量3055小時(shí)后，交聯(lián)的1D/3D PSCs持續(xù)運(yùn)行3055 h后仍可保持其93%的初始效率。
附
作者簡(jiǎn)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(jìn)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?yàn)橛袡C(jī)-無(wú)機(jī)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(lái)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(guó)家自然科學(xué)基金面上和青年基金等項(xiàng)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(yè)：http://arims.bit.edu.cn/xzdw/qnggjs/tbfyjy/104331.htm
論文鏈接：https://doi.org/10.1039/D0EE01736A
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