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暨南大学范建东&李闻哲Adv. Energy Mater.:高效稳定1D@3D钙钛矿太阳电池

发布者:暨南大学  来源:暨南大学 日期:2020-3-18  点击次:42


【引言】

在短短十多年的时间里钙钛矿太阳电池的光电转化效率从3.8%飞速提高到25.2%[1],然而,实现钙钛矿太阳电池产业化的最大瓶颈是其稳定性问题,尤其是在紫外光、水氧等敏感条件下的长期稳定性[2,3]

【成果简介】

近日,暨南大学信息学院新能源技术研究院范建东&李闻哲团队的论文“Lattice-Matching Structurally-Stable 1D@3D Perovskites toward Highly Efficient and Stable Solar Cells”在Advanced Energy Materials(AEM)杂志上发表。硕士生刘鹏为第一作者,范建东研究员和李闻哲副研究员为文章共同通讯作者。

该研究得到了国家自然科学基金委 (51872126、51672111、51802120),广东自然科学杰出青年学者基金(2019B151502030),广东省自然科学基金(2018030310181),中央高校基础研究经费(21617341,21619406),珠江“青年拔尖人才”项目(2017GC010424)的共同资助。此外,感谢本科生冼业铭同学广东省大学生科技创新能力培养专项资金资助(pdjh2019a0055)。

【本文亮点】

本论文设计了基于PbI2-bipyridine (II) 材料的1D@3D维度杂化钙钛矿太阳电池,1D@3D钙钛矿异质结界面晶格的高效匹配不仅增强了载流子输运而且抑制了负面离子迁移,进而实现了21.18%的光电转化效率和光氧、水-电场等复合敏感条件下的长期稳定。

【图文导读】

图1 1D@3D钙钛矿薄膜的成膜动力学过程

太阳能电池(光电材料)光谱响应测试,或称量子效率QE(Quantum Efficiency)测试,或光电转化效率IPCE(Monochromatic Incident Photon-to-Electron Conversion Efficiency)测试等,广义来说,就是测量太阳能电池(光电材料)的光电特性在不同波长光照条件下的数值,所谓光电特性包括:光生电流、光导等。量子效率QE(Quantum Efficiency)和光电转化效率IPCE(Monochromatic Incident Photon-to-Electron Conversion Efficiency)是指太阳能电池(光电材料)产生的电子-空穴对数目与入射到太阳能电池(光电材料)表面的光子数目之比。通常,我们所说的太阳能电池(光电材料)量子效率QE(Quantum Efficiency)都是指外量子效率EQE(External Quantum Efficiency),也就是说太阳能电池(光电材料)表面的光子反射损失是不被考虑的。太阳能电池(光电材料)IPCE/QE/量子效率/光谱响应测试对于太阳能电池(光电材料)的研究至关重要,因为太阳能电池(光电材料)在太阳光组成比例最大的波段具有最大IPCE/QE/量子效率/光谱响应是非常重要的。

(a)钙钛矿薄膜的XRD谱图;

(b)成膜过程中,由BPy-PbI2 (I) 到BPy-PbI2 (II) 的异构化过程;

(c)和图(d)分别为BPy-PbI2 (I) 和BPy-PbI2 (II) 材料的XRD谱图。

图2 1D@3D异质结界面匹配示意图及界面电子密度分布图

太阳能电池(光电材料)光谱响应测试,或称量子效率QE(Quantum Efficiency)测试,或光电转化效率IPCE(Monochromatic Incident Photon-to-Electron Conversion Efficiency)测试等,广义来说,就是测量太阳能电池(光电材料)的光电特性在不同波长光照条件下的数值,所谓光电特性包括:光生电流、光导等。量子效率QE(Quantum Efficiency)和光电转化效率IPCE(Monochromatic Incident Photon-to-Electron Conversion Efficiency)是指太阳能电池(光电材料)产生的电子-空穴对数目与入射到太阳能电池(光电材料)表面的光子数目之比。通常,我们所说的太阳能电池(光电材料)量子效率QE(Quantum Efficiency)都是指外量子效率EQE(External Quantum Efficiency),也就是说太阳能电池(光电材料)表面的光子反射损失是不被考虑的。太阳能电池(光电材料)IPCE/QE/量子效率/光谱响应测试对于太阳能电池(光电材料)的研究至关重要,因为太阳能电池(光电材料)在太阳光组成比例最大的波段具有最大IPCE/QE/量子效率/光谱响应是非常重要的。

图3 1D@3D钙钛矿在电场和微量水条件下的研究(E-field=100V mm-1,R.H.=3%)

太阳能电池(光电材料)光谱响应测试,或称量子效率QE(Quantum Efficiency)测试,或光电转化效率IPCE(Monochromatic Incident Photon-to-Electron Conversion Efficiency)测试等,广义来说,就是测量太阳能电池(光电材料)的光电特性在不同波长光照条件下的数值,所谓光电特性包括:光生电流、光导等。量子效率QE(Quantum Efficiency)和光电转化效率IPCE(Monochromatic Incident Photon-to-Electron Conversion Efficiency)是指太阳能电池(光电材料)产生的电子-空穴对数目与入射到太阳能电池(光电材料)表面的光子数目之比。通常,我们所说的太阳能电池(光电材料)量子效率QE(Quantum Efficiency)都是指外量子效率EQE(External Quantum Efficiency),也就是说太阳能电池(光电材料)表面的光子反射损失是不被考虑的。太阳能电池(光电材料)IPCE/QE/量子效率/光谱响应测试对于太阳能电池(光电材料)的研究至关重要,因为太阳能电池(光电材料)在太阳光组成比例最大的波段具有最大IPCE/QE/量子效率/光谱响应是非常重要的。

通过研究1D@3D 和3D钙钛矿在电场和微量水的作用下薄膜表面的变化,可以发现1D@3D钙钛矿薄膜在电场和微量水的条件下分解的速率减慢,表明1D@3D钙钛矿对电场和微量水的条件有较好的屏蔽作用。

(a)原位低真空SEM表征原理图;

(b)和图(c)3D和1D@3D钙钛矿薄膜的界面SEM图和EDS线扫描谱。

图4 器件性能的研究

太阳能电池(光电材料)光谱响应测试,或称量子效率QE(Quantum Efficiency)测试,或光电转化效率IPCE(Monochromatic Incident Photon-to-Electron Conversion Efficiency)测试等,广义来说,就是测量太阳能电池(光电材料)的光电特性在不同波长光照条件下的数值,所谓光电特性包括:光生电流、光导等。量子效率QE(Quantum Efficiency)和光电转化效率IPCE(Monochromatic Incident Photon-to-Electron Conversion Efficiency)是指太阳能电池(光电材料)产生的电子-空穴对数目与入射到太阳能电池(光电材料)表面的光子数目之比。通常,我们所说的太阳能电池(光电材料)量子效率QE(Quantum Efficiency)都是指外量子效率EQE(External Quantum Efficiency),也就是说太阳能电池(光电材料)表面的光子反射损失是不被考虑的。太阳能电池(光电材料)IPCE/QE/量子效率/光谱响应测试对于太阳能电池(光电材料)的研究至关重要,因为太阳能电池(光电材料)在太阳光组成比例最大的波段具有最大IPCE/QE/量子效率/光谱响应是非常重要的。

图(a)3D和1D@3D(1mg/mL)钙钛矿材料的能带位置示意图;

图(b)1D@3D(1mg/mL)钙钛矿器件的J-V曲线;

图(c)1D@3D(1mg/mL)钙钛矿器件的EQE曲线;

图(d)1D@3D(1mg/mL)钙钛矿器件的SPO曲线和效率分布统计图;

图(e)3D和1D@3D钙钛矿在光氧条件下的稳定性曲线图;

图(f)3D和1D@3D钙钛矿在光氧水条件下的稳定性曲线图。

【展望】

本论文以钙钛矿材料本身作为研究重点,提出了维度杂化钙钛矿结构,探究了光、氧、水、温度和电场等敏感条件下钙钛矿的分解过程。通过设计并生长了具有1D结构的BPy-PbI2钙钛矿材料,并成功诱导生长了1D@3D钙钛矿薄膜,1D钙钛矿所特有的“软晶格”与传统3D钙钛矿实现了良好的界面晶格匹配。基于钙钛矿的维度杂化结构,1D@3D钙钛矿太阳电池分别在光/氧和光/氧/水条件下老化150小时和75小时,1D@3D钙钛矿太阳器件的效率保持率均超过90%,而传统3D钙钛矿器件的效率保持率仅为40%和5%,维度杂化钙钛矿电池表现出更优异的环境稳定性。本研究为制备高稳定性的钙钛矿太阳能电池器件提供了重要思路和理论基础,积极推动钙钛矿太阳电池的产业化进程。

课题组研究进展:本课题组长期致力于新型钙钛矿材料及其高性能光电器件的研究,近两年课题组在钙钛矿维度调控和杂化、全无机钙钛矿及基于钙钛矿单晶光电探测器方面取得了一系列进展:(1)在有机无机杂化电池方面:我们在3D钙钛矿中掺杂乙酰丙酮镓实现了“核壳”结构,器件在相对湿度为50%条件下老化800 h,效率为初始值的85%(Energy Environ. Sci. 2018, 11, 286)。(2)利用维度调控,我们将1-(2-吡啶基)-1H-吡唑(PZPY)作为A位基团,1D钙钛矿材料与3D钙钛矿材料原位生长实现1D@3D杂化钙钛矿,器件在相对湿度55%,环境温度85条件下经过5个老化循环后效率保持率在90%以上,器件表现出了优异的热力学自修复性能(Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1703421)。(3)在全无机钙钛矿太阳电池方面:课题组开发了基于ZnO@C60复合结构的电子传输层,增强了电荷提取效率 (J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 3825)。此外,我们将InCl3引入无机CsPbI2Br钙钛矿中,通过In3+和Cl-共掺杂获得了稳定的α相钙钛矿薄膜,通过辐射加热方法获得13.74%的器件转换效率。(Adv. Energy Mater. 2018, 1803572)。(4)在钙钛矿光电探测器方面:我们通过使用PEABr原位诱导生长了Cs2AgBiBr6单晶材料,显著提高了晶体B位金属的有序性,有效降低了单晶的缺陷态密度和激子自陷域效应,器件的响应时间由3190 µs 缩短到13 µs,X射线探测灵敏度提高到了288.8 µC Gyair−1 cm−2 (电场强度22.7 V mm−1),达到世界领先水平。(Adv. Funct. Mater. 2019,1900234)。

【参考文献】

[1]  https://www.nrel.gov/pv/assets/images/efficiency-chart.png.

[2]  Aristidou, N.; Sanchez-Molina, I.; Chotchuangchutchaval, T.; Brown, M.; Martinez, L.; Rath, T.; Haque, S. A., The Role of Oxygen in the Degradation of Methylammonium Lead Trihalide Perovskite Photoactive Layers. Angew Chem Int Ed Engl 2015, 54 (28), 8208-12.

[3]  Lira-Cantú, M., Perovskite solar cells: Stability lies at interfaces. Nature Energy 2017, 2 (7).

Lattice‐Matching Structurally‐Stable 1D@3D Perovskites toward Highly Efficient and Stable Solar Cells