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金属卤化物钙钛矿太阳能电池因为其低成本、高光电转化功率等优势,被誉为光伏领域中的颠覆性技能。现在,钙钛矿太阳能电池的认证功率现已达到了25.7%,能够与晶硅电池相媲美。但是,制备出满足于商业化要求的高效、长命命钙钛矿太阳能组件依然面对着巨大应战。其间,钙钛矿太阳能电池中光活性层、空穴传输层及要害表界面的物化特性和电学功用是影响器材功用的中心要素。
选用分子工程战略规划了多系列功用分子,体系研讨了钙钛矿太阳能电池中光吸收层、空穴传输层及器材要害表界面的光电功用退化机制,有用增强了上述中心功用层及界面的电学功用和稳定性,显着进步了钙钛矿电池的光电转化功率和作业寿数,为推动钙钛矿太阳能电池这一颠覆性光伏技能的产业化供给了严重技能支撑。
华中科技大学武汉光电国家研讨中心联合洛桑联邦联工学院在钙钛矿吸光层和空穴传输层功用改性方面取得了重要打破。研讨人员规划了膦酸功用化富勒烯衍生物(CPPA)并作为钙钛矿多晶薄膜的晶界调控分子,该分子可通过氢键、配位键和富勒烯-碘等多种超分子相互作用形式,有用地钝化了卤化铅钙钛矿薄膜的多样化缺点;通过低温冷冻电子透射瞬态光电谱等先进测验手法,研讨人员发现,坐落晶界处的非晶态CPPA有利于薄膜中晶体应力的开释,可有用按捺钙钛矿的分化和PbI2的生成,进步了晶体质量,然后完成了钙钛矿薄膜在光、热、湿和氧等环境老化条件下稳定性的全面进步。
空穴传输资料的载流子传输功用及掺杂离子的分散进程会显着影响钙钛矿器材的光电转化功率及作业稳定性。鉴于此,研讨人员规划了一种具有氧化复原活性的自由基聚合物聚(氧化铵盐)(PPO-TEMPO)类氧化复原电对,它能够通过化学氧化的方法高效地对空穴传输资料进行p型掺杂,有用地优化了空穴传输资料的费米能级和电导率;此外,Li+/PPO-TEMPO自由基间的自由基-金属相互作用也能够显着按捺锂离子在空穴传输资猜中搬迁和集合,进步了空穴传输层的微纳描摹和电学功用的稳定性。终究,团队所制备的1cm2器材和钙钛矿迷你模组的光电转化功率别离达到了23.5%和21.4%,达到了世界领先水平。通过3265h的接连光照老化测验之后,电池功用仍能坚持初始功率的95.5%,完成了钙钛矿光伏器材使役条件下稳定性的打破。
研讨成果于1月发表于Science,尤帅博士、曾海鹏博士、刘宇航教授和韩斌博士为一起榜首作者,华中科技大学武汉光电国家研讨中心李雄教授、荣耀光副教授和瑞士洛桑联邦理工学院Michael Grätzel教授为通讯作者。
为进一步进步三维钙钛矿薄膜本身的稳定性和电学功用,华中科技大学武汉光电国家研讨中心联合武汉理工大学和加拿大多伦多大学,成功构建了交联聚合物多维度双层钙钛矿异质结构,拓荒了钙钛矿薄膜吸光层新结构体系。二维(2D)钙钛矿覆盖层润饰三维(3D)钙钛矿光吸收层的上界面调控战略能有用进步钙钛矿太阳能电池的光电功用,但是,外表2D钙钛矿和体相3D钙钛矿之间的离子分散进程导致了3D/2D多维度双层异质结构的蜕变,限制了器材的作业稳定性。研讨人员将交联聚合物(CLP)堆积到3D钙钛矿层的顶部,然后通过气相辅佐两步进程在3D/CLP薄膜上堆积2D钙钛矿层,然后构成一起的3D/CLP/2D钙钛矿异质结构,有用地处理了3D/2D钙钛矿异质结构中的离子分散问题。研讨人员还选用原子力-红外(AFM-IR)显微镜和X射线光电子能谱深度分析测验具体研讨了3D/2D钙钛矿异质结构中的离子分散原理,并证明了CLP对离子分散的按捺作用。终究,团队所制备的小面积器材和迷你模组的光电转化功率别离达到了21%和~20%,而且通过~5000 h的接连光照老化之后仍能坚持初始功率的90%,完成了碳基钙钛矿光伏器材光电转化功率和稳定性的打破。
研讨成果于2月发表于Nature Energy,罗龙博士生、曾海鹏博士和王在伟博士为一起榜首作者,华中科技大学武汉光电国家研讨中心李雄教授、荣耀光副教授,武汉理工大学麦立强教授和加拿大多伦多大学Edward H. Sargent教授为通讯作者。
钙钛矿光吸收层/有机空穴传输层的界面能级失配和界面相容性差等坏处是导致钙钛矿电池光电转化功率下降和稳定性严重缺乏的要害要素。鉴于此,华中科技大学武汉光电国家研讨中心联合瑞士洛桑联邦理工学院,规划了一种一起具有卡唑-三苯胺和苯基碘化铵分子片段的双功用有机半导体小分子CBz-PAI,以调控钙钛矿/空穴传输层界面处的能级结构和界面缺点。经研讨标明,CBz-PAI既能够充任钙钛矿层/空穴传输层的界面“粘合剂”,也可扮演钙钛矿层/空穴传输层之间的空穴“络绎器”,既显着增强了界面触摸,也显着下降了钙钛矿的准费米能级割裂(或“内部”压降VOC)与器材“外部”开路电压VOC之间的差异,从而完成了器材稳定性和光电转化功率的协同进步。终究,团队获得了24.7%的稳态功率,而且在双85(85 ℃和85%的相对湿度)湿热测验条件下或许接连光照条件下别离老化1000h和1100h之后,依然能够坚持初始功率的92.3%和94.6%,展示了优异的光电功用及长时间稳定性,极大地推动了钙钛矿光伏技能的开展。
该研讨成果在3月已被Nature Energy期刊接纳,尤帅博士、Felix T. Eickemeyer博士为一起榜首作者,华中科技大学武汉光电国家研讨中心李雄教授、瑞士洛桑联邦理工学院Michael Grätzel教授和沈重金教授同为通讯作者。
总归,协同性的分子工程战略有望体系性地处理钙钛矿太阳能电池产业化所面对的功率瓶颈及稳定性缺乏等问题,厘清分子-资料-表界面-器材功用间的构效联系,为钙钛矿太阳能电池产业化的稳步推动供给科学辅导和技能战略。
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