物理学院赵清课题组在高效钙钛矿太阳能电池研

自2009年以来,有机无机杂化钙钛矿材料在能源、光伏、化学、材料物理等领域引起了广泛关注,其具有的带隙连续可调、光吸收系数高、载流子扩散距离长、制备方法简单等优异特性,使它成为发展下一代光伏器件的理想光吸收材料。仅仅历经不到10年的发展,钙钛矿薄膜太阳能电池的能量转化效率记录就已经迅速增至23.3%,发展速度为各类太阳能电池之最。在化学组成上,有机无机杂化钙钛矿材料具有ABX3型的晶体结构。其中A位甲脒离子含量高于95%,同时X位溴离子含量低于5%的FAPbI3基钙钛矿材料,其带隙低于1.55 eV,在已经发展的各种钙钛矿材料成分配比中最接近于单节太阳能电池的理想带隙。目前,两步法制备的太阳能电池器件长时间工作稳定性要普遍低于一步法,这是由于传统两步法制备难以获得含有碱金属离子的钙钛矿薄膜。

最近,有机无机杂化钙钛矿型(CH3NH3PbI3)太阳能电池由于高吸收系数、平衡的电子空穴迁移率、可调控的带隙、极高的量子发光效率和较大的缺陷容忍度等一系列特点使得此类电池的光电转化效率在短短5年之内超过了20%。但是此类电池在潮湿环境下易发生水解,使电池失效,电池的长期稳定性成为困扰其商业化的瓶颈和难点所在。

由俞大鹏院士领导的北京大学物理学院“纳米结构与低维物理”研究团队在这一问题上取得系列进展。该团队赵清教授与合作者以传统两步法为基础,设计提出了钙钛矿籽晶诱导生长的两步旋涂法,通过在碘化铅薄膜中引入含铯钙钛矿籽晶,使籽晶提供后续钙钛矿生长的成核位点,引导高质量薄膜生长,解决两步法中无机阳离子的有效掺杂问题。通过籽晶诱导,可实现对成核和晶粒大小的精确调控,有效掺入无机Cs离子,器件的能量转化效率提升至21.7%。同时,器件在AM1.5G太阳光下持续工作140小时后,仍然保持超过60%的初始效率,远优于传统两步法数小时的稳定性。相关研究成果以“Perovskite seeding growth of formamidinium-lead-iodide-based perovskites for efficient and stable solar cells”为题发表于Nature CommunicationsNature Communications 9, 1607 (2018). DOI: 10.1038/s41467-018-04029-7】。北京大学博士生赵怡程、加拿大多伦多大学博士后谭海仁和比利时鲁汶大学博士后袁海峰为该研究论文的共同第一作者。多伦多大学的Edward H. Sargent教授和赵清为共同通讯作者。

近期,由物理学院俞大鹏教授领导的北京大学“纳米结构与低维物理”研究团队在该领域取得新进展。该团队的赵清副教授等设计了一种钙钛矿电池的新结构,将长链吸湿性PEG分子作为聚合物骨架引入到钙钛矿材料吸光层中,长链PEG分子构成的三维网络使钙钛矿材料成膜质量显著提高,电池光电转化效率和重复性得到显著提高,最高效率可达16%。该种电池在100摄氏度温度下一步法即可完成,制备方法简单易行,易于推广。由于PEG分子的超强吸湿性,聚合物骨架钙钛矿电池在湿度环境下的稳定性得到显著提升:没有任何封装的电池器件在异常潮湿环境中(70%相对湿度)展现出超过300小时的稳定性。不仅如此,聚合物骨架钙钛矿电池展现出神奇的“自修复”功能:钙钛矿材料和电池在被水解破坏后,1分钟内可迅速自修复回到原来的电池状态和电池效率。研究表明,由于PEG与钙钛矿材料中的甲胺离子具有很强的相互作用,使水解后的碘化铅与甲胺碘可原位再次生成钙钛矿材料,展现出电池材料和效率均可“自修复”的功能。这种新型聚合物骨架结构使钙钛矿电池对水破坏性和潮湿环境的耐受度大大增强,极大提高了电池在湿度环境下的稳定性,解决了钙钛矿电池害怕水汽和电池效率在潮湿环境下会迅速减退的应用难题,展现出神奇的自修复功能,为今后钙钛矿电池商业化提供了一条新思路,具有重要的科学意义和应用价值。

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澳门新葡亰网站注册,该研究成果近期发表于Nature Communications【6,10228(2016)】,研究生赵怡程为第一作者,赵清副教授为通讯作者。该研究成果得到了量子物质科学2011协同创新中心、介观物理国家重点实验室、北京大学电子显微镜实验室等的大力支持。

澳门新葡亰平台官网,A 籽晶法制备钙钛矿薄膜过程示意图;b光致发光显微原位探测籽晶法中钙钛矿实时生长过程

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赵清课题组还设计了氯化铯增强碘化铅前驱液两步法,在进一步提高钙钛矿薄膜中碱金属离子含量的同时,减缓钙钛矿的成核、生长过程,获得了具有更大晶粒、更低缺陷态密度的钙钛矿多晶薄膜。基于此制备得到的平面正式钙钛矿薄膜太阳能电池器件具有更高的能量转化效率(22.1%),器件的长时间工作稳定性也得到了提高,在AM1.5G太阳光下工作70小时后,依然能够保持90%的初始效率。该研究在两步法制备钙钛矿薄膜与太阳能电池器件方面,为碱金属离子的均匀高效掺入、器件性能的提高等问题提供了新的思路。相关研究成果以“Efficient Perovskite Solar Cells Fabricated Through CsCl-Enhanced PbI2 Precursor via Sequential Deposition”为题,发表于国际著名期刊Advanced MaterialsAdvanced Materials 1803095 (2018). DOI: 10.1002/adma.201803095】。北京大学博士生李琪为该研究论文的第一作者,赵清为通讯作者。以上研究得到了国家自然科学基金委、北京大学人工微结构和介观物理国家重点实验室、“2011计划”量子物质科学协同创新中心等的资金支持。

聚合物骨架钙钛矿太阳能电池结构示意图;电池光伏性能的自修复I-V曲线;钙钛矿薄膜在被水汽破坏后一分钟内的自修复展示照片,薄膜回复到初始状态。

责编:白杨

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