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中山大学科研人员在二维钙钛矿太阳能电池研究方面取得重要进展

2021-03-22    

中国照明网报道

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导语: 近年来,钙钛矿太阳能电池(PSCs)发展迅速,其光电转换效率(PCE)从最初的3.8%提高到了25.2%,但环境不稳定性仍然是阻碍其走向商业化的一大瓶颈。由于良好的环境稳定性,层状二维(2D)钙钛矿受到研究人员的广泛关注。

  近年来,钙钛矿太阳能电池(PSCs)发展迅速,其光电转换效率(PCE)从最初的3.8%提高到了25.2%,但环境不稳定性仍然是阻碍其走向商业化的一大瓶颈。由于良好的环境稳定性,层状二维(2D)钙钛矿受到研究人员的广泛关注。2D网络可以理解为厚度为n的共角无机八面体[MX6]4层被大体积烷基铵阳离子层间隔开,库仑力和疏水作用将单元堆叠的层链接在一起,以保证2D结构的完整性。二维层状结构被认为是天然的多量子阱结构,其中无机半导体层充当“阱”,绝缘有机层充当“阻挡层”。由于其较长的烷基链,分子量较大的有机组分更疏水,长链有机胺可以有效地隔绝水分和氧气,从而可以显着提高器件稳定性。

  尽管如此,2D钙钛矿薄膜中的随机相分布会阻碍载流子传输并增加载流子复合,进而影响器件的性能和稳定性。为解决这一问题,中山大学毕冬勤教授团队提出了一种作用于2D钙钛矿GA2MA4Pb5I16的多功能界面改性策略,使用溴化胍(GABr)优化钙钛矿薄膜的二次结晶过程。测试表征表明,在钙钛矿界面处引入GABr可以调节钙钛矿的重结晶过程,引起2D钙钛矿薄膜中相的重新排列;此外,进入钙钛矿晶格的GA+可以抑制钙钛矿材料的降解,有效改善了器件的环境稳定性和光稳定性。经GABr优化后,2D PSCs的PCE达到19.3%;在没有封装的情况下,器件在环境条件下保存3000小时后仍能保持其初始PCE的94%,这项工作为2D PSCs的界面优化方法提供了可靠的基础。

  图1. (a)不同浓度GABr后处理的PSCs的光伏性能,原始器件与优化器件的(b) J–V曲线,(c)在N2环境下最大功率输出点的稳态输出效率(0.91和0.88 V),(d)性能重现性,以及(e)光照和环境稳定性。

  相关的研究成果以“Stable Layered 2D Perovskite Solar Cells with an Efficiency of over 19% via Multifunctional Interfacial Engineering”为题发表在国际着名学术期刊J. Am. Chem. Soc.上(DOI:10.1021/jacs.0c13087)。硕士研究生黄雅雯为论文的第一作者,毕冬勤教授为通讯作者,中山大学材料科学与工程学院为论文第一单位。该研究工作受到国家自然科学基金、国家重点研究发展计划基金的支持。

编辑:严志祥

来源:中山大学

标签:中山大学  二维钙钛矿  太阳能电池  进展  

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