國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)《2024—2025年節(jié)能降碳行動(dòng)方案》的通知
中科院在鈣鈦礦電池領(lǐng)域取得重要進(jìn)展
中科院在鈣鈦礦電池領(lǐng)域取得重要進(jìn)展:有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化的金屬鹵化物鈣鈦礦材料憑借其優(yōu)異的光電性能、低原材料成本、以及簡(jiǎn)單的制備工藝而備受關(guān)注。近十年來(lái),隨著高性能鈣鈦礦材料的開(kāi)發(fā)以及器
:有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化的金屬鹵化物鈣鈦礦材料憑借其優(yōu)異的光電性能、低原材料成本、以及簡(jiǎn)單的制備工藝而備受關(guān)注。近十年來(lái),隨著高性能鈣鈦礦材料的開(kāi)發(fā)以及器件結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新優(yōu)化,鈣鈦礦光伏器件的效率從3.8%迅速提高至25.2%,展現(xiàn)出了巨大的商業(yè)開(kāi)發(fā)價(jià)值和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
然而,目前鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的工業(yè)化生產(chǎn)還面臨著不小的挑戰(zhàn)。
一方面鈣鈦礦光伏器件的實(shí)際應(yīng)用受制于鈣鈦礦活性層以及載流子傳輸層的弱穩(wěn)定性,例如鈣鈦礦材料在光照、加熱以及濕度下易分解,器件中常用的金屬氧化物電子傳輸層(SnO2、TiO2等)在紫外光下產(chǎn)生電子空穴復(fù)合,兩者共同作用嚴(yán)重限制了鈣鈦礦光伏器件工作穩(wěn)定性。
另一方面,鈣鈦礦薄膜的大面積制備技術(shù)還不成熟,從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模小面積器件向工業(yè)化大面積組件的過(guò)渡存在一定挑戰(zhàn)。針對(duì)這兩方面問(wèn)題,中科院寧波材料所葛子義研究員團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了一系列前瞻性研究。
在穩(wěn)定性提高方面,3D/2D共混結(jié)構(gòu)鈣鈦礦被廣泛應(yīng)用于穩(wěn)定高效太陽(yáng)能電池的制備。而近期,葛子義團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)這種共混結(jié)構(gòu)中2D鈣鈦礦并不穩(wěn)定,快速的成膜過(guò)程使2D鈣鈦礦中存在大量的結(jié)構(gòu)缺陷,導(dǎo)致其在濕度下易分解,造成穩(wěn)定性降低。為解決這一問(wèn)題,團(tuán)隊(duì)在2D鈣鈦礦中引入堿金屬離子(K+ , Rb+)摻雜,一方面通過(guò)優(yōu)化2D鈣鈦礦的結(jié)晶與成膜過(guò)程制備低缺陷態(tài)薄膜;另一方面不同尺寸大小的堿金屬離子能調(diào)控2D鈣鈦礦晶體取向,促進(jìn)薄膜中的載流子傳輸。兩者的協(xié)同作用同時(shí)提高了3D/2D共混鈣鈦礦光伏器件的光電效率及穩(wěn)定性:光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)21%,且器件在40-60%濕度的空氣中老化1200小時(shí)仍保持93%的初始效率。相關(guān)結(jié)果發(fā)表于Nano Lett.,2020, 20, 1240-1251。
為了進(jìn)一步解決器件中載流子傳輸層存在的穩(wěn)定性問(wèn)題,團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)合成了一種小分子界面材料MSAPBS用于SnO2界面缺陷鈍化。通過(guò)與美國(guó)西北大學(xué)Tobin J. Marks教授課題組的合作,將該類界面材料引入到經(jīng)典平面異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽(yáng)電池中,自下而上地鈍化了器件前界面和鈣鈦礦吸收層的體相缺陷態(tài),抑制了器件的遲滯效應(yīng),顯著提升了器件的光電轉(zhuǎn)換效率(21.18%)、環(huán)境濕熱穩(wěn)定性和光照穩(wěn)定性(如圖1所示)。相關(guān)研究工作發(fā)表于Adv. Mater.,2019, 31,1903239。上述兩項(xiàng)工作的完成為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定鈣鈦礦光伏器件的開(kāi)發(fā)技術(shù)提供了新的思路,為推動(dòng)鈣鈦礦光伏器件的商業(yè)化應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
圖1. (a)采用不同電子傳輸層的最優(yōu)器件的J-V曲線, (b)器件性能參數(shù)統(tǒng)計(jì)分布, (c)器件的遲滯特性
(d)器件的穩(wěn)態(tài)輸出, (e,f)器件的濕熱穩(wěn)定性測(cè)試, (g)光照穩(wěn)定性測(cè)試。
團(tuán)隊(duì)近期在鈦礦薄膜的大面積制備領(lǐng)域發(fā)表綜述論文,通過(guò)對(duì)鈣鈦礦成核和晶體生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)的深入探討(引入LaMer和Ostwald模型),闡明了快速成核與緩慢結(jié)晶是制備高質(zhì)量低缺陷態(tài)鈣鈦礦薄膜的關(guān)鍵。并且從結(jié)晶與成核兩方面分類總結(jié)目前常用的薄膜工程技術(shù),為其他優(yōu)化方法的開(kāi)發(fā)提供理論基礎(chǔ)。
圖2. 大面積沉積技術(shù)制備方法
此外,團(tuán)隊(duì)還討論了各類大面積沉積技術(shù)的工作原理,包括噴涂、狹縫涂布、刮涂、噴墨印刷和蒸氣/真空法(如圖2所示),揭示了前驅(qū)體溶液的物理性質(zhì)(包括黏度、密度、表面能等)和基底的表面性能/溫度是決定薄膜質(zhì)量的關(guān)鍵。這些關(guān)于大面積制膜的機(jī)理討論為鈣鈦礦光伏器件的大規(guī)模工業(yè)化制備提供了思路。綜述發(fā)表于Chem. Soc. Rev.,2020, 49, 1653-1687,且被選為封面論文。
以上工作得到了國(guó)家杰出青年科學(xué)基金(21925506)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFB0401000)、浙江省杰出青年基金(LR16B040002)等項(xiàng)目資助。
原標(biāo)題:中科院在鈣鈦礦電池領(lǐng)域取得重要進(jìn)展
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