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        寧波材料所在鈣鈦礦電池穩定性方面取得重要進展
        作者:,日期:2018-09-30

          鈣鈦礦太陽能電池成本低,效率高,被認為是最有希望實現低成本發電的光伏技術之一。現在高效率的鈣鈦礦電池普遍采用高溫燒結的TiO2,限制了其在柔性器件中的應用,而且TiO2在光的作用下可以催化分解鈣鈦礦,嚴重影響電池的穩定性。目前鈣鈦礦電池的效率已經超過23%,穩定性問題已經成為限制其走向實用化的最大瓶頸。

          寧波材料所方俊鋒研究員圍繞上述問題展開深入研究,并取得重要進展。首先,針對TiO2需要高溫處理的問題,提出采用極性富勒烯(C60 pyrrolidine tris-acid,CPTA)來替代TiO2作為電子傳輸材料,實現了柔性鈣鈦礦電池效率>17%(Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1701144);在此基礎上,進一步在界面處引入PbI2作為晶核,通過界面誘導成核優化鈣鈦礦晶體生長,使器件效率提升至20.2%(Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1706317)。同時,在空穴傳輸材料方面,通過對聚電解質傳輸材料抗衡離子的選擇(P3CT-N),有效抑制了聚電解質的過度聚集,從而改善了鈣鈦礦薄膜在界面上的生長,實現了反向p-i-n鈣鈦礦電池效率>19%,柔性器件效率也達到18%,1cm*1cm的大面積器件效率>15%(ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 31357; Advanced Science, 2018, 1800159)。

          在上述高效p-i-n鈣鈦礦電池的基礎上,最近,該研究團隊在鈣鈦礦電池的工作穩定性方面進一步取得重要進展。太陽能電池在實際發電(光照且外加負載)過程中的連續功率輸出是衡量其能否實用化的核心指標。在實際工作中,鈣鈦礦薄膜內部的離子會沿晶界發生定向遷移,這是造成鈣鈦礦電池效率衰退的重要原因。針對此問題,該團隊率先提出原位交聯的策略來制備鈣鈦礦電池。在鈣鈦礦薄膜中引入一種可交聯的液體有機小分子(trimethylolpropane triacrylate, TMTA,圖1a),借助TMTA與晶界處PbI2的配位作用,使TMTA化學“錨釘”在鈣鈦礦晶界處,有效鈍化晶界缺陷,實現>20%的器件效率;更重要的是,經過進一步加熱處理,TMTA能夠發生原位交聯(圖1b),在晶界處形成穩定的交聯聚合物網絡(圖1c),使鈣鈦礦薄膜的離子遷移活化能由0.21eV提升至0.48eV,從而有效抑制離子沿晶界的遷移。基于此策略的鈣鈦礦電池在全光譜標準太陽光下經過400小時的連續最大功率輸出(負載0.84V)仍能維持初始效率的80%(圖2),相對于傳統的鈣鈦礦電池,其工作穩定性(T80)提升了590倍。該工作首次實現了甲胺鉛碘鈣鈦礦電池在標準太陽光(Xe燈)、全光譜(不濾光)下>200小時的長期工作穩定性,為高效穩定鈣鈦礦電池的制備提供了全新的思路與方法。同時,鈣鈦礦電池的空氣穩定性(濕度45%-60%)和熱穩定性(85℃)也有明顯提升,經過>1000小時老化后仍能維持初始效率(或post burn-in效率)的90%以上。相關工作以“In-situ cross-linking strategy for efficient and operationally stable methylammoniun lead iodide solar cells” 為題發表在Nature Communications上(Nat. Commun. 2018, 9, 3806;論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-018-06204-2)。方俊鋒研究員為該論文的唯一通訊作者,李曉冬博士為第一作者。

          上述工作得到中國科學院前沿科學重點研究計劃(CAS QYZDB-SSW-JSC047)、國家自然科學基金(51773213,61474125)及博士后基金(2017M610380)等項目的支持。

         

        圖1 (a) TMTA化學結構;(b) TMTA加熱交聯;(c) TMTA在鈣鈦礦薄膜中原位交聯示意圖

        圖2 基于原位交聯策略的鈣鈦礦電池的連續功率輸出(標準Xe燈光源,全光譜,恒定0.84V負載)

                                                                       (新能源所 李曉冬)

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