Solar RRL：使用N719-鈣鈦礦雜化吸光層大幅提高光電器件的濕度穩(wěn)定性
????????自古及今，太陽一直在向人類提供賴以生存和發(fā)展的能量，可以說地球上絕大部分能量都是太陽直接或間接向我們提供的。光雖然纖弱柔和，但其中包含的能量卻是巨大、源源不斷的，一旦研究出一種有效吸收、轉(zhuǎn)換和存儲太陽能的方法，未來人們的能源危機就可以迎刃而解。所以一直以來如何直接有效的利用太陽的能量是人們研究和關(guān)注的焦點，人們先后研究出光催化劑，太陽能電池，太陽能集熱器以更好的利用太陽能。近年來，鈣鈦礦太陽能電池方興未艾，人們逐漸取得關(guān)于鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)的重要突破，但是困擾其應(yīng)用的最重要的問題就是其在空氣中較低的穩(wěn)定性。鈣鈦礦材料對濕度極度敏感，在空氣濕度較高的情況下可以迅速退化，甚至直接分解。所以，如果能夠提出有效的提高鈣鈦礦太陽能電池在空氣中長期工作穩(wěn)定性的方法，這種新型光電轉(zhuǎn)換器件的工業(yè)化進展就可能取得重大突破。
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????????清華大學新型陶瓷與精細工藝國家重點實驗室林紅課題組應(yīng)用N719染料分子對有機-無機鈣鈦礦吸光層進行體修飾，在不犧牲太陽能基礎(chǔ)效率的前提下，大幅提高了鈣鈦礦材料的空氣濕度穩(wěn)定性。研究者將N719染料分子摻入鈣鈦礦前驅(qū)體中進行旋涂，得到了鈣鈦礦-染料雜化薄膜，測試表明其具有更大的晶粒尺寸和更少的孔洞，更加重要的是這種薄膜在500-700納米波長區(qū)間展現(xiàn)了更強的光吸收能力，這種吸光能力的增強被認為是源于染料分子對吸光的輔助作用。不僅如此，通過對鈣鈦礦材料退化過程的實時監(jiān)測，我們鑒別了整個水化過程的全部產(chǎn)物和中間物，發(fā)現(xiàn)染料分子雜化的鈣鈦礦薄膜展現(xiàn)了被大幅延遲的水化過程，從而具有更強的濕度穩(wěn)定性。通過第一原理計算我們發(fā)現(xiàn)水分子在雜化薄膜中的擴散勢壘為原本薄膜中的三倍，從而為其優(yōu)越的濕度穩(wěn)定性提供解釋。此外，我們將制備的雜化與未雜化薄膜樣品分別與小分子極性溶劑接觸，通過高分辨相機連續(xù)拍照記錄了鈣鈦礦薄膜退化的宏觀過程，發(fā)現(xiàn)雜化薄膜在從黑色的鈣鈦礦到灰色的水合物最后變?yōu)辄S色的碘化鉛的過程中明顯具有更慢的退化速度，并首次對黑-灰-黃的顏色過渡區(qū)進行了物相分析，鑒別他們的成分，將空間的顏色過渡區(qū)變化與時間上的退化過程聯(lián)系到一起，從而更加深入的揭示了有機-無機鈣鈦礦的退化機理。最后，基于染料-鈣鈦礦雜化薄膜，我們制備的相應(yīng)器件在60%濕度的空氣中接觸250小時仍然保持了超過80%的效率，其相應(yīng)退化速度是原本鈣鈦礦器件的三分之一。研究者相信，這種策略的提出為解決鈣鈦礦電池長期穩(wěn)定性問題提供了一種全新的思路，并且進一步揭示了鈣鈦礦材料水化過程的機理，對未來鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)的應(yīng)用過程具有重要意義。相關(guān)論文以“Improved Moisture Stability of Perovskite Solar Cells Using N719 Dye Molecules”為題，在線發(fā)表在國際高水平期刊Solar RRL（DOI: 10.1002/solr.201900345）上。
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