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纪湘战四郎:Nature Energy报道北京大学工学院周欢萍课题组在钙钛矿太阳能电

发布日期:2019-06-01  来源:网络整理  浏览次数:
导读:有机阳离子以及卤素阴离子空位缺陷是制约钙钛矿太阳能电池高效率以及长期稳定性的主要因素,如何同时消除这两种缺陷是当下的难题。基于此,北京大学工学院周欢萍研究员课题组提出一种新的消除机制,即在钙钛矿活性层中引入氟化物,利用氟极高的电负性,实

有机阳离子以及卤素阴离子空位缺陷是制约钙钛矿太阳能电池高效率以及长期稳定性的主要因素,如何同时消除这两种缺陷是当下的难题。基于此,北京大学工学院周欢萍研究员课题组提出一种新的消除机制,即在钙钛矿活性层中引入氟化物,利用氟极高的电负性,实现氟化物同时与有机阳离子形成强氢键以及与铅离子形成强离子键的双重效果。研究从而有效消除了有机阳离子以及卤素阴离子的空位缺陷,大大提升了电池的光电转换效率和长期稳定性。相关研究于2019年5月13日在国际顶级学术期刊《自然能源》(Nature Energy)上发表,题为“Cation and anion immobilization through chemical bonding enhancement with fluorides for stable halide perovskite solar cells”(doi:10.1038/s41560-019-0382-6)。

太阳能作为一种取之不尽用之不竭的清洁能源备受研究人员关注,而将太阳能转换为电能的太阳能电池也是世界上众多课题组青睐的材料。近年来,有机无机杂化钙钛矿太阳能电池以其高效率、低成本的优势获得了学术界和产业界的众多关注,而其光电转换效率也在短短几年内迅速提升至24.2%,是单节电池中当下效率最高的薄膜太阳能电池。

然而,这类电池稳定性不佳是严重阻碍其商业化应用的主要因素。相比于传统无机光伏材料,有机-无机杂化钙钛矿材料晶格较软,且是一种离子晶体,易在外界环境的干扰下发生离子迁移,形成大量的空位缺陷,从而诱导晶格塌缩以及组分分解,从而使其不再具备优异的光电转换能力。

在众多的空位缺陷中,卤素阴离子和有机阳离子空位由于其较低的缺陷形成能而普遍存在于钙钛矿表面以及晶界,该两种空位缺陷不仅会影响太阳能电池的工作效率,且会诱导钙钛矿晶体的进一步退化,形成更多的体相缺陷。针对这两种缺陷之前报道的工作主要集中在钝化单一缺陷,即有机阳离子或卤化物空位,无法做到“鱼与熊掌兼得”。如何同时消除这两种缺陷,实现钙钛矿太阳能电池的更高效率和高稳定性是钙钛矿材料目前最为棘手的问题。

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碘化钠(图a)与氟化钠(图b)在钙钛矿晶格上的位置以及相应的离子性对比(图c)和有机阳离子(FA)空位形成能对比(图d)

针对上述重要问题,周欢萍课题组提出了一种全新的消除机制,即通过在钙钛矿活性层中引入氟化钠,利用氟极高的电负性,实现氟化物同时与有机阳离子形成强氢键以及与铅离子形成强离子键的双重效果。基于此离子键和氢键的化学键调制,可以固定钙钛矿组分中的有机阳离子和卤素阴离子,从而消除了相应的空位缺陷,电池效率和稳定性都得到了明显提升。氟化钠引入的电池器件最高效率达到了21.92%(认证值为21.7%),且没有明显的迟滞现象。同时,引入氟化钠的器件表现出优异的热稳定性和光稳定性,在一个太阳的连续光照射或85°C加热1000小时后,器件仍可分别保持原有效率的95%和90%,在最大功率点处连续工作1000小时后可以保持原有效率的90%。该方法解决了钛矿太阳能电池中限制其稳定性的两个重要因素——有机阳离子和卤素阴离子空位,并可推广至其他的钙钛矿光电器件;且化学键调制的方法对于其他面临类似问题的无机半导体器件也具有重要参考意义。

图2.jpg

钙钛矿电池的长期稳定性:(a)在一个太阳光连续照射下钙钛矿电池的性能变化;(b) 在85摄氏度连续加热下钙钛矿电池的性能变化;(c)在空气中长时间放置下钙钛矿电池的性能变化;(d)在最大功率点连续工作钙钛矿电池的性能变化

该论文的第一作者是周欢萍课题组的2017级博士生李能旭,周欢萍特聘研究员为通讯作者。合作者还包括埃因霍温理工大学Shuxia Tao课题组和北京理工大学陈棋课题组、北京理工大学洪家旺课题组、香港大学杨世和课题组、中南大学谢海鹏老师、特温特大学Geert Brocks教授等。该工作得到了国家自然科学基金委、科技部、北京市自然科学基金、北京市科委、先进电池材料理论与技术北京市重点实验室等联合资助。

周欢萍课题组近期致力于提高钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性,取得的一系列重要进展相继在Science (DOI: 10.1126/science.aau5701), Nature Energy (DOI: 10.1038/s41560-019-0382-6), Nature Communications (DOI: 10.1038/s41467-019-09093-1;DOI: 10.1038/s41467-019-08507-4 和 DOI: 10.1038/s41467-018-05076-w),Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201900390),Journal of the American Chemical Society (DOI: 10.1021/jacs.7b11157) 上发表。



    
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