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交大科研人员在环境友好的锡基钙钛矿太阳能电池研究领域取得重要进展

2020-06-30    来源:西安交通大学    作者:电信学部    浏览次数:316

       近年来,铅基卤素钙钛矿材料由于其优异的光电特性成为太阳能电池的明星材料,从而受到了广泛的关注和研究。然而,重金属铅会对于环境和人体造成不可忽视的危害。基于此,科研人员致力于研究环境友好的锡基钙钛矿材料,并获得了较大的进展。相较于铅基钙钛矿,锡基钙钛矿材料结晶速度快、形成活化能低,使得相应薄膜结晶质量低、形貌差、缺陷密度高。此外,Sn2+容易氧化为Sn4+,会在钙钛矿薄膜中导致Sn空位和p型掺杂,进而产生更强的非辐射复合,大大降低器件能量转换效率。这些缺陷导致的相关稳定性问题也成为锡基钙钛矿太阳能电池发展的另一个瓶颈。近年来,配体修饰策略在锡基钙钛矿材料中显示出巨大的潜力:大体积胺类配体被证明有利于控制钙钛矿薄膜的结晶生长,且由于胺基配体结构的疏水和疏氧性,器件的稳定性得以提高。

针对以上钙钛矿太阳能电池器件中存在的问题,吴朝新教授组研究了三种同分异构氟代配体,即4-氟-苯乙基碘化铵(4-F-PEAI)、3-氟-苯乙基碘化铵(3-F-PEAI)和2-氟-苯乙基碘化铵(2-F-PEAI),同时实现了结晶控制和Sn2+的氧化抑制。利用配体的氢键效应,制备了致密均匀的Sn基钙钛矿薄膜。此外,观察到表面晶格的稳健性与配体的几何结构密切相关,这进一步在不同程度上影响了Sn空位的形成。2-F-PEA采用弯曲几何结构,在表面由单一方向对齐,对于结构的稳健性超过其他异构体(3-F-PEA和4-F-PEA)。不同的晶格应力影响了Sn空位形成的复杂性。结果,2-F-PEAI修饰的Sn基钙钛矿太阳能电池的能量转换效率为10.17 %(认证效率8.58 %)。在1600小时光老化试验下,效率衰减小于15%。

该研究工作提出的含氟有机配体的方法为高效稳定的Sn基钙钛矿太阳能电池研究开辟了一条新的途径。

近日,该项研究工作以“Ligand Orientation Induced Lattice Robustness for high-efficient and stable Tin-based Perovskite Solar Cells”为题发表于国际期刊ACS Energy Letters (2020) (影响因子 16.331,论文链接:https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsenergylett.0c00960)。第一作者为课题组博士生李培舟,董化副教授、李璟睿特聘研究员和吴朝新教授为共同通讯作者,西安交通大学为第一作者单位和唯一通讯作者单位。该工作得到自然科学基金委项目等的支持。

西安交通大学吴朝新教授团队长期研究新型功能材料的“光-电”与“电-光”物理机制及其器件应用如太阳能电池与发光二极管,近期有多项重要成果发表于Joule,Advanced Materials, Angewandte Chemie International Edition, Advanced Functional Materials, ACS Energy Letters, Nano Energy等国际顶级期刊。

更多研究内容可参见吴朝新教授课题组主页:http://zhaoxinwu.gr.xjtu.edu.cn

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