国内科研突破:我国团队在《自然》杂志发表钙钛矿电池寿命研究成果

   发布时间:2023-11-02 09:34

【媒体界】11月2日消息,中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所的潘旭研究员和田兴友研究员团队,与韩国成均馆大学的Nam-Gyu Park教授以及华北电力大学的戴松元教授合作,成功在反式钙钛矿太阳电池研究领域取得了新突破。

这一研究团队首次发现,钙钛矿太阳电池的性能主要受到钙钛矿阳离子面外分布的不均匀性影响。他们采用1-(苯磺酰基)吡咯(PSP)作为添加剂,成功均匀化了钙钛矿薄膜的相分布,最终获得了26.1%的光电转换效率(PCE)。

这一重大突破的相关成果于11月2日在《自然》(Nature)杂志上发表。研究论文的详细内容可以在以下链接查阅:

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06784-0

钙钛矿太阳电池一直以来都是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池,属于新概念太阳能电池。传统的界面钝化和结晶控制方法在多年发展中推动了电池效率的提升,但最近几年该领域的研究似乎遇到了瓶颈。

科研人员发现,钙钛矿薄膜内部常常发生相分离现象,这在一定程度上会影响电池性能。之前的研究表明,有效地管理卤素相分离可以提高器件性能。高效率的钙钛矿材料通常是通过采用纯碘体系下的阳离子掺杂组分获得的,尤其是FA1-xCsxPbI3体系,不同的阳离子组分在钙钛矿体相面外分布的不同对钙钛矿载流子扩散和界面抽取都至关重要。然而,钙钛矿体相的不同阳离子组分分布以及影响电池稳定性和效率损失的原因目前尚不清楚。

因此,这个研究团队从FA1-xCsxPbI3体系出发,通过元素定量分析研究了甲脒(FA)与铯(Cs)阳离子的纵向分布,结合飞行时间二次离子质谱(ToF-SIMS)与X射线光电子谱(XPS),深入剖析了阳离子在薄膜中的分布情况。他们发现无机Cs阳离子主要富集在薄膜底部,而有机FA阳离子则主要分布在薄膜上界面处。进一步的实验分析表明,薄膜底部存在着面间距较小的晶相,并显示出与富Cs钙钛矿相关的特征信号。这些研究结果首次明确了钙钛矿薄膜中阳离子组分面外方向的梯度不均匀分布。

团队通过原位试验方法进一步分析了不均匀分布的原因,发现不同阳离子在结晶和相转变过程中的速率差异是导致组分不均匀分布的主要原因。然后,他们设计了PSP分子,以弥补不同阳离子的结晶速率差异,最终制备出了均匀分布的钙钛矿薄膜。这种均匀分布的钙钛矿薄膜有效地抑制了底部富Cs相带来的准I型能级排列,显著提高了载流子的寿命和扩散长度,并增强了载流子的界面抽取。

通过采用PSP策略制备的反式钙钛矿太阳电池获得了26.1%的最高效率,认证效率为25.8%。此外,经过2500小时的最大功率电追踪测试后,未封装的器件仍然保持了92%的初始PCE,显示出了卓越的运行稳定性。

这项研究工作表明,通过均匀化钙钛矿组分的面外分布,可以实现卓越的电池性能,为提升电池器件的稳定性提供了新途径。这一突破有望克服钙钛矿太阳电池效率的瓶颈,为进一步提高高效、稳定的钙钛矿太阳电池提供了明确的方向,对于将钙钛矿太阳电池推向商业化发展具有重要意义。

这项研究的第一作者是中国科学院合肥物质院固体所的博士研究生梁政,南方科技大学的章勇博士和固体所的博士研究生徐慧芬为共同第一作者,固体所的潘旭研究员为论文的第一通讯作者,而固体所的叶加久博士、成均馆大学的Nam-Gyu Park教授以及华北电力大学的戴松元教授为论文的共同通讯作者。这项研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、安徽省杰出青年基金、合肥物质院院长基金等项目的资助。

 
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