电池组件

中科院在钙钛矿电池领域取得重要进展

2020-03-30 08:33:04 浙江政务服务网

有机-无机杂化的金属卤化物钙钛矿材料凭借其优异的光电性能、低原材料成本、以及简单的制备工艺而备受关注。近十年来,随着高性能钙钛矿材料的开发以及器件结构的创新优化,钙钛矿光伏器件的效率从3.8%迅速提高至25.2%,展现出了巨大的商业开发价值和市场竞争力。

然而,目前钙钛矿太阳能电池的工业化生产还面临着不小的挑战。

一方面钙钛矿光伏器件的实际应用受制于钙钛矿活性层以及载流子传输层的弱稳定性,例如钙钛矿材料在光照、加热以及湿度下易分解,器件中常用的金属氧化物电子传输层(SnO2、TiO2等)在紫外光下产生电子空穴复合,两者共同作用严重限制了钙钛矿光伏器件工作稳定性。

另一方面,钙钛矿薄膜的大面积制备技术还不成熟,从实验室规模小面积器件向工业化大面积组件的过渡存在一定挑战。针对这两方面问题,中科院宁波材料所葛子义研究员团队开展了一系列前瞻性研究。

在稳定性提高方面,3D/2D共混结构钙钛矿被广泛应用于稳定高效太阳能电池的制备。而近期,葛子义团队发现这种共混结构中2D钙钛矿并不稳定,快速的成膜过程使2D钙钛矿中存在大量的结构缺陷,导致其在湿度下易分解,造成稳定性降低。为解决这一问题,团队在2D钙钛矿中引入碱金属离子(K+ , Rb+)掺杂,一方面通过优化2D钙钛矿的结晶与成膜过程制备低缺陷态薄膜;另一方面不同尺寸大小的碱金属离子能调控2D钙钛矿晶体取向,促进薄膜中的载流子传输。两者的协同作用同时提高了3D/2D共混钙钛矿光伏器件的光电效率及稳定性:光电转化效率达21%,且器件在40-60%湿度的空气中老化1200小时仍保持93%的初始效率。相关结果发表于Nano Lett.,2020, 20, 1240-1251。

为了进一步解决器件中载流子传输层存在的稳定性问题,团队设计合成了一种小分子界面材料MSAPBS用于SnO2界面缺陷钝化。通过与美国西北大学Tobin J. Marks教授课题组的合作,将该类界面材料引入到经典平面异质结结构钙钛矿太阳电池中,自下而上地钝化了器件前界面和钙钛矿吸收层的体相缺陷态,抑制了器件的迟滞效应,显著提升了器件的光电转换效率(21.18%)、环境湿热稳定性和光照稳定性(如图1所示)。相关研究工作发表于Adv. Mater.,2019, 31,1903239。上述两项工作的完成为实现稳定钙钛矿光伏器件的开发技术提供了新的思路,为推动钙钛矿光伏器件的商业化应用奠定了坚实基础。

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图1. (a)采用不同电子传输层的最优器件的J-V曲线, (b)器件性能参数统计分布, (c)器件的迟滞特性

(d)器件的稳态输出, (e,f)器件的湿热稳定性测试, (g)光照稳定性测试。

团队近期在钛矿薄膜的大面积制备领域发表综述论文,通过对钙钛矿成核和晶体生长动力学的深入探讨(引入LaMer和Ostwald模型),阐明了快速成核与缓慢结晶是制备高质量低缺陷态钙钛矿薄膜的关键。并且从结晶与成核两方面分类总结目前常用的薄膜工程技术,为其他优化方法的开发提供理论基础。

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图2. 大面积沉积技术制备方法

此外,团队还讨论了各类大面积沉积技术的工作原理,包括喷涂、狭缝涂布、刮涂、喷墨印刷和蒸气/真空法(如图2所示),揭示了前驱体溶液的物理性质(包括黏度、密度、表面能等)和基底的表面性能/温度是决定薄膜质量的关键。这些关于大面积制膜的机理讨论为钙钛矿光伏器件的大规模工业化制备提供了思路。综述发表于Chem. Soc. Rev.,2020, 49, 1653-1687,且被选为封面论文。

以上工作得到了国家杰出青年科学基金(21925506)、国家重点研发计划(2016YFB0401000)、浙江省杰出青年基金(LR16B040002)等项目资助。


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