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廈門稀土材料研究所鈣鈦礦太陽能電池研究取得新進展

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時間:2020-03-23   來源:先進功能材料課題組  文本大小:【 |  | 】  【打印

  https://www.materialsviewschina.com/2020/03/43330/

  

 

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  有機-無機雜化鈣鈦礦因其優異的光電子性能,受到全世界研究者的關注。其作為活性層制備的太陽能電池,光電轉換效率已超過25%,接近單晶硅電池的最高值。然而,通過低溫溶液法制備的鈣鈦礦薄膜通常是多晶的。多晶薄膜,在其表面和晶界處容易產生缺陷,會捕獲光生電荷,導致額外的非輻射復合能量損失,限制了器件的開路電壓和整體性能。

  鈍化是一種有效減少缺陷、抑制非輻射復合的方法。路易斯堿、PbI2、PMMA高分子材料等被成功應用于鈍化鈣鈦礦的缺陷。其中有機胺鹽,例如苯乙胺碘(PEAI)也被成功用來鈍化鈣鈦礦表面,提升器件的開路電壓,并獲得了創世界紀錄的效率。然而, PEAI處理的鈣鈦礦對溫度敏感,在高溫下PEAI本身會發生反應形成二維鈣鈦礦,影響器件的穩定性;此外,銨鹽的鈍化機制還需要更多的研究。

 

 

  針對以上問題,廈門稀土材料研究所先進功能材料課題組采用具有大體積的1-萘甲胺碘(NMAI)來鈍化鈣鈦礦表界面。與PEAI一樣,NMAI在強極性的二甲基甲酰胺(DMF)溶液中,與PbI2混合一步旋涂可形成2D鈣鈦礦,并且曾經被成功應用來制備高效的2D/3D鈣鈦礦LED器件。但是NMAI在弱極性的異丙醇(IPA)溶液中,后處理3D鈣鈦礦薄膜時,表現出與PEAI不同的性質。XRD的測試表明,即使在高達100℃的高溫下,處理后的3D鈣鈦礦薄膜表面絕大部分的銨鹽未參與離子交換反應,僅形成極少量的2D鈣鈦礦。因此在完整的電池器件中,介于鈣鈦礦和空穴傳輸層之間的NMAI層起到了以下幾個協同鈍化效果:首先,NMAI本身的兩性離子性質能夠鈍化鈣鈦礦的表面離子缺陷;其次,NMAI與鈣鈦礦表面相互作用形成界面偶極,誘導真空能級彎曲,進而改善界面的能帶匹配;最后,絕緣的NMAI能夠起到電子阻擋的作用。NMAI層的多重鈍化效應,使得所制備的鈣鈦礦電池器件表現出較高的電致發光效率,有力地表明了鈣鈦礦和空穴傳輸層界面的非輻射復合大大減少。在一個標準太陽光照射下,器件的開路電壓最高達到1.20 V,光電轉換效率最高超過21%。相關研究結果發表在Advanced Energy Materials, 2020, DOI: 10.1002/aenm.202000197,該論文的第一作者為梁祿生工程師。

 

 

  該工作為銨鹽的鈍化提供了新的思路和理解,并為鈣鈦礦的鈍化進一步提高鈣鈦礦太陽能電池的效率提供指導。

  論文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.202000197

  https://www.materialsviewschina.com/2020/03/43330/

 

 

 

 

  

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