上海应用物理研究所在钙钛矿太阳能电池研究方面取得进展

2018/03/26 | 【 【打印】【关闭】 | 访问次数:

近年来,钙钛矿太阳能电池以其更加清洁、便于应用、制造成本低和效率高等显著优点,迅速成为国际上科研和产业关注的热点。要实现此类器件的市场化应用需要进一步解决钙钛矿薄膜质量难以控制、缺陷态密度高以及器件迟滞效应等一系列问题,特别是研究表明钙钛矿晶体结构中的微小缺陷会妨碍光能转化为电能,是限制钙钛矿太阳能电池转化效率和稳定性的关键因素。 

近日,中国科学院上海应用物理研究所高兴宇课题组开发出一种新型钙钛矿薄膜表面钝化工艺,极大减少钙钛矿薄膜特别是其表面的微小缺陷,大幅提升甲胺铅碘(MAPbI3)基器件的光电效率达到19.94%(目前报道的甲胺铅碘器件最高效率),相关研究结果发表在该领域国际权威期刊Nano energy (2018, 48, 10-19)。

高兴宇课题组前期工作发现钙钛矿薄膜薄膜表面的改善是制备高质量薄膜和高效率稳定器件的关键,课题组杨迎国等进一步利用上海光源BL14B衍射线站的掠入射X射线衍射观测到传统反溶剂方法制备的钙钛矿薄膜表面结晶呈现多重孪晶,严重制约其器件光电转换效率和稳定性(ACS applied materials & interfaces 2017, 9,23141)。鉴于此,他们开发了一种“缺陷补偿”工艺,即在薄膜制备中的反溶剂处理环节添加卤素源碘化氢,采用多种同步辐射和常规表征技术实验研究证明钙钛矿薄膜表面结晶得到有效钝化,具有纯相结晶、无针孔、化学元素分布均一、表面势梯度小等优点,从而大幅提升甲胺铅碘基钙钛矿太阳能电池的光电转换效率达到19.94%,同时提升器件在湿度、加热条件下的稳定性。有趣的是,采用该工艺制备的柔性钙钛矿太阳能电池在外应力下也能保持很高的性能稳定性,而进一步的同步辐射原位拉伸实验证实这与薄膜表面晶粒的紧密绞联、缺陷大幅较少密切相关。文章最后从占位化学的角度揭示其反应机制。该工作为钙钛矿太阳能电池产业化提供重要实验和理论支撑,也有助于可穿戴柔性器件的实现。

中科院上海应物所杨迎国、冯尚蕾和苏州大学李萌为本文共同第一作者,高兴宇研究员为论文通讯作者。该研究成果得到了苏州大学廖良生(王照奎)、孙宝全、马万里(袁建宇)教授三个课题组的帮助,同时感谢国家自然科学基金项目、国家重点研发项目、中科院百人计划项目、上海材料基因组等的资助,感谢上海光源BL14B1衍射线站、合肥同步辐射光源BL10B、北京同步辐射光源(1W1B和1W2B)提供的实验机时。(生命科学部 供稿)

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