【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】鈣鈦礦太陽(yáng)能電池(PSCs)因其優(yōu)異的光電性能等特點(diǎn)，在新一代光伏發(fā)電領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，近年來(lái)已實(shí)現(xiàn)了26%以上的光電轉(zhuǎn)換效率。然而，有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦的結(jié)晶過(guò)程非常復(fù)雜。中間相的參與，如混合溶劑相和δ相，使得制備出均勻和高結(jié)晶度的鈣鈦礦膜具有挑戰(zhàn)性，并且會(huì)導(dǎo)致顯著的晶格畸變、隨機(jī)取向和俘獲中心產(chǎn)生。結(jié)晶調(diào)控被證明是提高鈣鈦礦薄膜質(zhì)量和器件性能的有效方法。鈣鈦礦的結(jié)晶過(guò)程通常從Pb-I骨架開(kāi)始，在前體溶液中形成納米級(jí)成核中心。因此，結(jié)晶調(diào)控的方法主要在將添加劑材料引入鈣鈦礦前體，以改性Pb-I結(jié)構(gòu)，從而更好地控制后續(xù)結(jié)晶。除了配位誘導(dǎo)的結(jié)晶控制之外，界面和晶界處缺陷的鈍化也是增強(qiáng)PSCs光電性能和穩(wěn)定性的重要方法之一。此外，平面外取向的鈣鈦礦光學(xué)活性相表現(xiàn)出比隨機(jī)取向更強(qiáng)的載流子傳輸傾向。進(jìn)一步研究鈣鈦礦的結(jié)晶過(guò)程和調(diào)控方法，將有利于加速其實(shí)際應(yīng)用。
 

　　針對(duì)上述問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種多功能有機(jī)分子，乙內(nèi)酰脲(Hydantoin)，用于調(diào)節(jié)鈣鈦礦薄膜結(jié)晶。得益于Hydantoin多種官能團(tuán)對(duì)鈣鈦礦前驅(qū)體的協(xié)同作用，成功抑制了溶劑中間相及δ相鈣鈦礦的生成，形成了鈣鈦礦光學(xué)活性相具有高結(jié)晶度且集中out-of-plane取向的鈣鈦礦膜(圖1)，并顯著抑制了多種缺陷以及載流子非輻射復(fù)合(圖2)?；贖ydantoin輔助結(jié)晶制備出了光電轉(zhuǎn)換效率超過(guò)25.66%(經(jīng)認(rèn)證為25.15%)的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，且具有良好的環(huán)境穩(wěn)定性。值得注意的是，在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量條件(ISOS-L-1I)下的最大功率點(diǎn)輸出1600小時(shí)，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池仍保持了初始效率的96.8%，并表現(xiàn)出優(yōu)異的離子遷移抑制效果(圖3)。該研究工作對(duì)鈣鈦礦結(jié)晶和空間取向的協(xié)同調(diào)節(jié)為推動(dòng)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的發(fā)展提供了新的途徑。
 

圖1 乙內(nèi)酰脲輔助結(jié)晶鈣鈦礦薄膜的時(shí)間分辨結(jié)晶演化
 

圖2 乙內(nèi)酰脲的缺陷鈍化能力及其對(duì)鈣鈦礦薄膜的改性
 

圖3 抑制鈣鈦礦太陽(yáng)能電池離子遷移和穩(wěn)定性演變
 

　　相關(guān)研究成果以“Realizing Stable Perovskite Solar Cells with Efficiency Exceeding 25.6% Through Crystallization Kinetics and Spatial Orientation Regulation”為題在材料科學(xué)領(lǐng)域頂級(jí)期刊《Advanced Materials》發(fā)表。焦博新(國(guó)科大與清華大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士生)、葉一然(清華大學(xué)電機(jī)系博士生)、譚理國(guó)(清華大學(xué)電機(jī)系博士生)為論文共同第一作者，清華大學(xué)易陳誼副教授、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)李曉毅教授、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所陳雨副研究員為通訊作者，研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目支持。