黃春輝課題組取得錫基鈣鈦礦太陽(yáng)能電池研究新進(jìn)展
錫基鈣鈦礦與鉛基的相比具有更加合適的帶隙、更為優(yōu)異的載流子傳輸能力以及環(huán)境友好的特性，引起了科研工作者的廣泛關(guān)注。然而，Sn2+易被氧化成Sn4+，使得其電池的效率和穩(wěn)定性遠(yuǎn)落后于鉛基鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。近日，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院黃春輝課題組在提升錫基鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率和穩(wěn)定性研究中取得新的進(jìn)展。他們通過(guò)協(xié)同引入苯肼離子和鹵素離子，將電池光電轉(zhuǎn)化效率提高至13.4%（12.4%認(rèn)證效率）—迄今報(bào)道的非鉛鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率的最高值。同時(shí)，器件具備非常優(yōu)異的穩(wěn)定性，放置在手套箱中4800 h后可保持初始效率的91%，在一個(gè)太陽(yáng)光持續(xù)照射330 h下可保持初始效率的82%。
在該工作中，作者發(fā)現(xiàn)苯肼離子的引入能夠提升薄膜的表面能，鹵素的調(diào)控可以進(jìn)一步優(yōu)化鈣鈦礦薄膜的形貌。二者的協(xié)同作用極大地鈍化了光活性層的缺陷態(tài)，使載流子壽命達(dá)到45.5 ns，載流子復(fù)合速率降低了五倍。作者利用穩(wěn)態(tài)發(fā)射光譜、飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜和激光掃描共聚焦顯微成像等手段進(jìn)一步探究了苯肼和鹵素離子的協(xié)同調(diào)控機(jī)理，發(fā)現(xiàn)苯肼和鹵素離子協(xié)同引入能夠抑制相分離，提升相穩(wěn)定性。DFT理論計(jì)算也說(shuō)明少量溴離子的摻入能夠使鈣鈦礦的形成能降低，顯著提升其熱力學(xué)穩(wěn)定性。
圖 1 （a）最佳器件的 J-V 特征曲線，（b）苯肼和鹵素離子協(xié)同調(diào)控下薄膜在80°C、一個(gè)太陽(yáng)光持續(xù)照射下0，5，10，20 h的穩(wěn)態(tài)發(fā)射光譜，（c）苯肼和鹵素離子協(xié)同調(diào)控下器件的飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜剖面圖，（d）苯肼和鹵素離子協(xié)同調(diào)控下器件飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜截面圖。
該工作近期發(fā)表在Cell出版社Matter期刊上，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院博士研究生王程博為第一作者，劉志偉副教授和卞祖強(qiáng)教授為共同通訊作者，主要合作者還包括蔣鴻副教授。感謝國(guó)家自然科學(xué)基金、北京市教委科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目和北京分子科學(xué)國(guó)家研究中心的資助。
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238520306299。
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