新策略提升鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性

近日，美國加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校楊陽課題組與中國西湖大學(xué)工學(xué)院王睿課題組以及韓國成均館大學(xué)Jin-Wook Lee課題組合作，就傳統(tǒng)提升鈣鈦礦電池光電轉(zhuǎn)換效率的表面處理策略所導(dǎo)致的能級不匹配問題進行了深入探索，并設(shè)計了全新的表面處理策略，實現(xiàn)了具有高光電轉(zhuǎn)換效率、長期穩(wěn)定性的鈣鈦礦太陽能電池。在經(jīng)過2000小時全天候加速光照測試后，鈣鈦礦電池仍然保持著超過87%的原始光電轉(zhuǎn)換效率，展現(xiàn)出其在未來光伏領(lǐng)域中的巨大潛力。該研究成果近日發(fā)表于《自然》。

基于鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的材料是近年來興起的新型太陽能電池材料，其晶體結(jié)構(gòu)為ABX3，與傳統(tǒng)的鈦酸鈣(CaTiO3)結(jié)構(gòu)類似，其中A位通常為一價有機或無機陽離子、B位為二價金屬陽離子、X位為鹵素陰離子。目前鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率從初始的3.8%提升到了目前的25.7%，已逼近硅太陽能電池的實驗室最高效率(26.7%)。然而其較差的工作穩(wěn)定性，依舊是制約其商業(yè)化的主要因素。

基于此，科研團隊通過對傳統(tǒng)意義上有效且簡單的鈣鈦礦電池效率提升的策略——表面處理進行深入探索，發(fā)現(xiàn)盡管表面處理材料中的有機陽離子可以實現(xiàn)有效的表面缺陷鈍化，但被忽視的鹵素陰離子會導(dǎo)致表面電勢的改變，不利于電池的長期穩(wěn)定性?？蒲腥藛T通過引入有機陰離子替換鹵素陰離子，減少了表面電勢的偏移，在實現(xiàn)了超過24.4%的光電轉(zhuǎn)換效率的同時，保持了超過2000小時的長期工作穩(wěn)定性。

總的來說，盡管常規(guī)的表面鈍化具有增益效果，但可能會對鈣鈦礦表面電勢造成影響，從而對鈣鈦礦器件工作穩(wěn)定性產(chǎn)生副作用，限制了這些處理策略的進一步發(fā)展。科研團隊引入有機陰離子，可減弱其負面影響，從而實現(xiàn)最大化的穩(wěn)定性改進。此外，有機陰離子的設(shè)計多樣性，為發(fā)展提升鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性的更有效策略開辟了新路徑。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-022-04604-5