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交大科研人員在環(huán)境友好的錫基鈣鈦礦太陽能電池研究領域取得重要進展
日期:2020-07-09   [復制鏈接]
責任編輯:sy_zhuzhengmin 打印收藏評論(0)[訂閱到郵箱]
編者按:由于重金屬鉛會對于環(huán)境和人體造成不可忽視的危害,交大科研人員致力于研究環(huán)境友好的錫基鈣鈦礦材料,并獲得了較大的進展。相較于鉛基鈣鈦礦,錫基鈣鈦礦材料結晶速度快、形成活化能低,使得相應薄膜結晶質量低、形貌差、缺陷密度高。

近年來,鉛基鹵素鈣鈦礦材料由于其優(yōu)異的光電特性成為太陽能電池的明星材料,從而受到了廣泛的關注和研究。然而,重金屬鉛會對于環(huán)境和人體造成不可忽視的危害。

基于此,科研人員致力于研究環(huán)境友好的錫基鈣鈦礦材料,并獲得了較大的進展。相較于鉛基鈣鈦礦,錫基鈣鈦礦材料結晶速度快、形成活化能低,使得相應薄膜結晶質量低、形貌差、缺陷密度高。

此外,Sn2+容易氧化為Sn4+,會在鈣鈦礦薄膜中導致Sn空位和p型摻雜,進而產生更強的非輻射復合,大大降低器件能量轉換效率。這些缺陷導致的相關穩(wěn)定性問題也成為錫基鈣鈦礦太陽能電池發(fā)展的另一個瓶頸。

近年來,配體修飾策略在錫基鈣鈦礦材料中顯示出巨大的潛力:大體積胺類配體被證明有利于控制鈣鈦礦薄膜的結晶生長,且由于胺基配體結構的疏水和疏氧性,器件的穩(wěn)定性得以提高。

針對以上鈣鈦礦太陽能電池器件中存在的問題,吳朝新教授組研究了三種同分異構氟代配體,即4-氟-苯乙基碘化銨(4-F-PEAI)、3-氟-苯乙基碘化銨(3-F-PEAI)和2-氟-苯乙基碘化銨(2-F-PEAI),同時實現(xiàn)了結晶控制和Sn2+的氧化抑制。

利用配體的氫鍵效應,制備了致密均勻的Sn基鈣鈦礦薄膜。此外,觀察到表面晶格的穩(wěn)健性與配體的幾何結構密切相關,這進一步在不同程度上影響了Sn空位的形成。2-F-PEA采用彎曲幾何結構,在表面由單一方向對齊,對于結構的穩(wěn)健性超過其他異構體(3-F-PEA和4-F-PEA)。

不同的晶格應力影響了Sn空位形成的復雜性。結果,2-F-PEAI修飾的Sn基鈣鈦礦太陽能電池的能量轉換效率為10.17 %(認證效率8.58 %)。在1600小時光老化試驗下,效率衰減小于15%。

該研究工作提出的含氟有機配體的方法為高效穩(wěn)定的Sn基鈣鈦礦太陽能電池研究開辟了一條新的途徑。

近日,該項研究工作以“Ligand Orientation Induced Lattice Robustness for high-efficient and stable Tin-based Perovskite Solar Cells”為題發(fā)表于國際期刊ACS Energy Letters (2020) (影響因子 16.331,論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsenergylett.0c00960)。

第一作者為課題組博士生李培舟,董化副教授、李璟睿特聘研究員和吳朝新教授為共同通訊作者,西安交通大學為第一作者單位和唯一通訊作者單位。該工作得到自然科學基金委項目等的支持。

西安交通大學吳朝新教授團隊長期研究新型功能材料的“光-電”與“電-光”物理機制及其器件應用如太陽能電池與發(fā)光二極管,近期有多項重要成果發(fā)表于Joule,Advanced Materials, Angewandte Chemie International Edition, Advanced Functional Materials, ACS Energy Letters, Nano Energy等國際頂級期刊。


原標題:交大科研人員在環(huán)境友好的錫基鈣鈦礦太陽能電池研究領域取得重要進展

 
 
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