山東大學物質創制與能量轉換科學研究中心酒同鋼教授課題組：鈣鈦礦表面鈍化研究進展

山東大學物質創制與能量轉換科學研究中心酒同鋼教授課題組：鈣鈦礦表面鈍化研究進展 2022/09/01 17:29

研究背景

鈣鈦礦材料在光伏發電領域風生水起，在短短十年內實現了從 3.8% 到 25.5% 的光電轉換效率的蛻變，其發展速度已超過多晶硅、 CdTe 、 CIGS 等商業化應用的薄膜太陽能電池。在諸多鈣鈦礦體系中，甲脒鈣鈦礦太陽能電池具有合適的禁帶寬度，較寬的光譜響應以及良好的熱穩定性，是突破光電效率瓶頸最有潛力的材料之一。然而，傳統的低溫溶液制備法獲得的鈣鈦礦薄膜由液相到固相的快速結晶過程容易產生大量的缺陷，如晶界、空位缺陷等，限制了光電效率的進一步提高，同時也導致電池穩定性變差。鈣鈦礦表面缺陷數量甚至比體缺陷高一個數量級，因此提高活性層的晶體質量，減少表面缺陷對實現甲脒鈣鈦礦太陽能電池的商業化尤為重要。

山東大學物質創制與能量轉換科學研究中心酒同鋼課題組在甲脒鈣鈦礦太陽能電池研究方面取得新進展，他們將維度調控和缺陷鈍化相結合，采用后處理的方式在純甲脒鈣鈦礦表面引入4-氯苯甲脒鹽酸鹽，其對氯結構誘導鈣鈦礦二次生長形成1D納米棒狀鈣鈦礦，有效的填補3D鈣鈦礦的晶界以及空位缺陷，減小了非輻射復合損失，電壓損失降低至0.35eV,實現了21.95%的光電轉換效率。同時1D鈣鈦礦的優異穩定性可以保護3D鈣鈦礦太陽能電池免受環境水汽的侵蝕，未封裝器件的光、熱和濕穩定得到顯著改善【 Small 2022, 18, 2104100 】。

通過高分辨透射電子顯微鏡和X射線衍射測試闡明了1D/3D鈣鈦礦的微觀結構和結晶性質，結果表明4-氯苯甲脒鹽酸鹽與鈣鈦礦表面FAI以及過量的PbI₂反應，定向結晶形成1D納米棒狀鈣鈦礦，對氯結構誘導鈣鈦礦擇優取向生長，促進了載流子的高效提取和傳輸，這是減少能量損失，獲得高開路電壓的主要原因。另外，氯元素與未配位的Pb²⁺相結合，空位的有效填補減少了離子遷移的通道，有利于鈣鈦礦電池穩定性的改善。在不同的老化條件下測試了未封裝器件的長期穩定性，分別在相對濕度為60%-80%的空氣環境中、85℃的加熱以及連續光照條件下放置350h后，優化器件仍保持大于75%的初始效率，表現出較高的濕、熱和光穩定性。

碘化鉛甲脒的離子型軟晶格結構導致的邊界懸掛鍵，以及甲脒離子在晶界表面的紊亂運動，導致FAPbI₃鈣鈦礦太陽能電池在工作時容易發生嚴重的非輻射復合。表面紊亂結構引起多種渠道的光生載流子損耗，導致嚴重的壓降損失，使得電池的開路電壓遠低于理論值，同時器件的穩定性也大大降低。針對上述問題，研究組研究了碘化鉛甲脒的表面化學行為，發現了鈣鈦礦薄膜表面存在大量鉛碘懸掛鍵和紊亂的甲脒陽離子，通過高分辨能量分析和超快載流子動力學研究發現，這些紊亂的能量態提供了載流子復合的場所，是電壓損失的主要原因。研究組通過表面離子交換的策略，用更穩定的乙脒陽離子來交換表面不穩定的甲脒陽離子，同時填補了表面的空位缺陷。修復后的鈣鈦礦表面展現了更少的能量損失，開路電壓由原來的1.09V提升至1.16V（在1.51V的光學帶隙下），器件的工作穩定性也得到極大的提升【Small Methods 2021, 5, 2101079】。

近日，研究組進一步證實了低維鈣鈦礦構筑對FAPbI₃鈣鈦礦太陽能電池性能的調控作用。研究人員從分子結構性質調控出發，將相對短鏈的環丙甲脒鹽酸鹽（CPAH）應用于FAPbI₃鈣鈦礦表面缺陷鈍化研究。在避免長烷基鏈絕緣效應的基礎上，CPAH中環丙基的空間效應使得三維鈣鈦礦表面誘導生成更為穩定的二維鈣鈦礦，所制備的二維/三維鈣鈦礦薄膜在能級、薄膜形貌及缺陷態密度等性質方面均得到有效調控。二維鈣鈦礦鈍化層可有效抑制電荷復合并促進電荷轉移，因此器件最優開路電壓損失降低至0.34eV，能量轉換效率達到22.8%，同時器件的濕、熱和光穩定性顯著提高【Nano Today 2022, 42, 101357】。

酒同鋼教授簡介

酒同鋼，教授，博士生導師，山東大學杰出中青年學者，先后入選山東省急需緊缺高層次人才、泰山學者青年專家、中國科學院青年創新促進會會員。博士畢業于中科院化學所。 2020 年加入山東大學物質創制與能量轉換科學研究中心，主要圍繞石墨炔基復合納米光電材料與太陽能電池新能源器件方向開展研究工作。目前已在國際知名期刊如 J. Am. Chem. Soc. 、 Adv. Mater. 、 Nano Lett 、 Nano Today 、 Nano Energy 、 Small 等發表學術論文 80 余篇 , 主持承擔了國家自然科學基金項目、山東省重大基礎研究項目、中科院人才項目及國際合作項目。

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