鈣鈦礦太陽能電池獨(dú)特降解機(jī)制獲揭示

蘇州大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)部教授李耀文團(tuán)隊(duì)及其合作者，揭示了鈣鈦礦太陽能電池在晝夜循環(huán)工作模式下獨(dú)特的降解機(jī)制，并強(qiáng)調(diào)了穩(wěn)定晶格以延長電池實(shí)際工作壽命的必要性。近日，相關(guān)研究成果發(fā)表于《自然》。

在這項(xiàng)研究中，研究人員將基于苯基氯化硒制備的鈣鈦礦太陽能電池認(rèn)證效率提高到26.32%。同時(shí)，在晝夜循環(huán)模式下，器件的T80壽命延長了10倍。T80壽命即器件效率衰減至初始效率80%所需的時(shí)間。

金屬鹵化物鈣鈦礦作為一種新興的半導(dǎo)體材料在光伏領(lǐng)域得到了快速發(fā)展，已報(bào)道的光電轉(zhuǎn)換效率與單晶硅太陽能電池基本持平，但受軟晶格本征屬性影響，提升其穩(wěn)定性成為能否商業(yè)化的關(guān)鍵科學(xué)問題。

目前，關(guān)于鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性的評(píng)估多采用ISOS協(xié)議，通常只涉及一個(gè)或兩個(gè)特定環(huán)境變量。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，鈣鈦礦太陽能電池歷經(jīng)晝夜循環(huán)，該模式涉及多種外界環(huán)境變化，如周期性的光照、溫度波動(dòng)等，使得鈣鈦礦的降解過程更加復(fù)雜。迄今為止，相關(guān)機(jī)制尚不清楚。

李耀文告訴《中國科學(xué)報(bào)》，團(tuán)隊(duì)首先研究了鈣鈦礦太陽能電池在連續(xù)光照和晝夜循環(huán)工作模式下的降解行為，發(fā)現(xiàn)電池在晝夜循環(huán)模式下性能衰減更為迅速。通過對(duì)軟晶格鈣鈦礦的原位演變分析和載流子動(dòng)力學(xué)研究，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)循環(huán)模式下的溫度波動(dòng)會(huì)誘導(dǎo)鈣鈦礦晶格膨脹收縮，從而產(chǎn)生周期性的晶格應(yīng)力變化。在連續(xù)光照模式下，晶格則呈現(xiàn)應(yīng)力逐漸釋放的狀態(tài)。相比較而言，應(yīng)力的周期性變化會(huì)產(chǎn)生更多深能級(jí)缺陷，這些缺陷在暗態(tài)下不能“自修復(fù)”。此外，積累的深能級(jí)缺陷加速了鈣鈦礦的離子遷移，是晝夜循環(huán)模式下電池性能快速衰減的主要原因。

“基于上述研究，我們設(shè)計(jì)合成了一系列配體材料消除晶格應(yīng)力變化、穩(wěn)定鈣鈦礦晶格。其中，苯基氯化硒展現(xiàn)了獨(dú)特的作用。”李耀文解釋說，苯基氯化硒在熱退火過程中和有機(jī)陽離子鹽反應(yīng)形成易揮發(fā)物質(zhì)，優(yōu)化了鈣鈦礦的晶體生長動(dòng)力學(xué)，獲得了對(duì)稱性更高、室溫穩(wěn)定的鈣鈦礦晶格。此外，苯基氯化硒和碘化鉛反應(yīng)生成含硒鉛酸鹽并錨定在晶界處，進(jìn)一步抑制了光、熱誘導(dǎo)的晶格膨脹收縮，消除了晶格應(yīng)力變化。最終，基于其他ISOS協(xié)議測試的器件穩(wěn)定性均得到大幅提升。

該研究還指出，針對(duì)具有軟晶格特性的鈣鈦礦太陽能電池在實(shí)際應(yīng)用中建立壽命評(píng)估方法，將加速其商業(yè)化進(jìn)程。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-024-08161-x