物质学院宁志军课题组在高效率锡基钙钛矿太阳能电池研究上取得重要突破

ON2018-10-06文章来源 物质科学与技术学院/科技发展处CATEGORY新闻

我校物质学院系统材料学研究部宁志军教授课题组开发了一种二维-准二维-三维(2D-准2D-3D)梯度结构的锡基钙钛矿光电薄膜材料,基于此梯度结构的太阳能电池光电转化效率达到了9.41%,是目前国际上已报道的稳态输出效率最高的非铅钙钛矿太阳能电池。北京时间10月5日,该成果以“2D-Quasi 2D-3D Hierarchy Structure for Tin Perovskite Solar Cells with Enhanced Efficiency and Stability”为题,于《Cell》旗下能源类期刊《Joule》在线发表。

21世纪,能源问题是人类面临的严峻挑战,太阳能电池是目前解决能源需求的有效手段之一。钙钛矿因其载流子迁移率高、光谱吸收范围宽和激子结合能低等优点,是一种理想的太阳能电池材料。经过多年发展,钙钛矿太阳能电池实现了超过多晶硅电池的23.3%的认证效率。然而铅钙钛矿的毒性为其应用带来了一定的不确定性,开发无毒或低毒的光电材料具有重要意义。在众多无铅替代物中,同族的具有相似壳层电子结构的锡是一种理想的替代物。锡基钙钛矿是一种低毒且具有理想带隙(≈ 1.3 eV)的光伏材料,但锡基钙钛矿也具有高本征空位浓度和易氧化的缺点。宁志军课题组在前期的工作中通过引入长链有机阳离子(苯乙胺)形成低维结构,能够有效保护锡基钙钛矿(J. Am. Chem. Soc. 2017, 139,6693-6699)。但低维度的钙钛矿薄膜由于取向生长方向和钙钛矿结构等问题,难以实现兼具高效率和高稳定性的太阳能电池。

为进一步解决上述问题,宁志军课题组利用假卤素调控剂NH4SCN调控含苯乙胺的锡基钙钛矿薄膜结晶生长过程。假卤素调控剂NH4SCN可实现钙钛矿成核和晶体生长过程分离,并且NH4SCN在退火过程分解除去,最终制备出2D-准2D-3D梯度结构的钙钛矿薄膜。该梯度结构钙钛矿能增强薄膜的抗氧化性,降低薄膜缺陷浓度,提高载流子传输性能。基于此梯度结构的锡钙钛矿太阳能电池,实现了9.41%的光电转化效率。在电池稳定性追踪测试过程中,经过近600小时依然能维持90%的初始效率。

该工作证明通过钙钛矿结构的调控可以有效降低钙钛矿的氧化,对锡钙钛矿太阳能电池效率提高具有重要意义;同时,通过调控剂来调控钙钛矿的结晶生长也为钙钛矿薄膜晶体结构的设计提供了一条新的思路。

该课题的研究工作全部在上科大完成。宁志军教授课题组2017级博士研究生王飞为第一作者,2018级博士研究生姜显园为共同第一作者;刘伟民教授课题组进行了超快瞬态吸收光谱方面的测试,其课题组2017级硕士研究生魏景乐为共同作者;宁志军为通讯作者,上科大为第一完成单位。该项研究得到了科技部-重点研发计划纳米专项,上科大科研启动基金和国家自然科学基金的支持。

论文链接:https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(18)30450-1

图1.(A) 对照组锡钙钛矿薄结构及稳定性示意图;(B)2D-准2D-3D梯度结构锡钙钛矿薄膜结构及稳定性示意图。

图2. (A) J-V曲线(AM1.5G,100mW/cm2);(B) 600 h稳定性追踪测试图;(C) 2D-准2D-3D梯度结构锡钙钛矿薄膜浅表面GIWAXS图(掠入射角:0.2°);(D)2D-准2D-3D梯度结构锡钙钛矿全薄膜GIWAXS图(掠入射角:2°)。

王飞、宁志军、姜显园(从左至右)在薄膜沉积系统前