清華新聞網(wǎng)9月8日電 近日，清華大學(xué)電機(jī)系易陳誼課題組提出了一種通過(guò)多功能添加劑減少鈣鈦礦薄膜缺陷和晶格微應(yīng)力的策略，實(shí)現(xiàn)了單結(jié)柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）23.6%的世界最高紀(jì)錄。
有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦材料具有光吸收性能優(yōu)異、加工成本低等優(yōu)點(diǎn)，制備在柔性基底上的柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池具有輕薄、可賦形、高功率質(zhì)量比等優(yōu)點(diǎn)，在可穿戴電子設(shè)備、無(wú)人飛行器、光伏建筑一體化等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，因此獲得了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。如何進(jìn)一步提升柔性器件的光電轉(zhuǎn)換效率和耐彎折性能是其走向?qū)嶋H應(yīng)用的關(guān)鍵。
柔性鈣鈦礦電池最高效率發(fā)展趨勢(shì)和添加劑作用機(jī)理示意圖
該研究中，作者設(shè)計(jì)了一種琥珀酸鹽添加劑加入鈣鈦礦前驅(qū)液中，用以提高鈣鈦礦薄膜質(zhì)量和鈣鈦礦太陽(yáng)能電池性能。高放大倍率的掃描電子顯微觀(guān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，含有琥珀酸鹽添加劑的鈣鈦礦薄膜形貌顯著改善，熒光強(qiáng)度和熒光壽命顯著增強(qiáng)，薄膜質(zhì)量得到了明顯提升。進(jìn)一步的核磁共振（NMR）測(cè)試表明，琥珀酸根陰離子中的羧酸基團(tuán)能與鈣鈦礦晶格中的甲脒陽(yáng)離子發(fā)生氫鍵作用，能與未配位的鉛原子發(fā)生配位作用，同時(shí)，琥珀酸鹽中的甲胺陽(yáng)離子還能填充到鈣鈦礦晶格中的陽(yáng)離子空位。這些豐富的相互作用使得鈣鈦礦薄膜中的缺陷態(tài)得到抑制，晶格微應(yīng)力得到緩釋?zhuān)瑥亩拐w鈣鈦礦薄膜的質(zhì)量和光電性能得到了明顯增強(qiáng)。
通過(guò)該方法制備的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池光電性能優(yōu)異，在A(yíng)M1.5G標(biāo)準(zhǔn)光照下剛性的電池器件光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)25.4%。在柔性基底上所制備的柔性器件獲得了最高23.6%（認(rèn)證效率22.5%）的光電轉(zhuǎn)換效率，這是迄今報(bào)道的單結(jié)柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率的最高紀(jì)錄。同時(shí)，面積放大到1cm2的柔性器件獲得了超過(guò)20%的光電轉(zhuǎn)換效率。
值得一提的是，添加劑的加入強(qiáng)化了薄膜晶粒，使鈣鈦礦薄膜的耐彎折性能得到大幅度的提升，柔性器件在6mm的彎曲半徑下彎折10000次仍可保持85%的初始光電轉(zhuǎn)換效率。
添加劑對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池光電性能的影響（橙色和藍(lán)色分別為添加劑組和對(duì)照組）
柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件結(jié)構(gòu)與光電性能（橙色和藍(lán)色分別為添加劑組和對(duì)照組）
柔性器件效率和耐彎折性能的綜合提升展現(xiàn)了柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池走向?qū)嶋H應(yīng)用的良好前景。這一成果以“多功能琥珀酸鹽添加劑實(shí)現(xiàn)效率超過(guò)23%的柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池”（Multifunctional succinate additive for flexible perovskite solar cells with more than 23% power conversion efficiency）為題發(fā)表在《細(xì)胞出版集團(tuán)》（Cell Press）出版的綜合性學(xué)術(shù)期刊 《創(chuàng)新》（The Innovation）上。論文第一作者為電機(jī)系2018級(jí)博士生李明昊，通訊作者為清華大學(xué)電機(jī)系副教授易陳誼，合作者包括國(guó)家納米科學(xué)中心丁黎明研究員，瑞士蘇黎世應(yīng)用科技大學(xué)博士沃爾夫?qū)ぬ乩姿梗╓olfgang Tress）等。工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主科研項(xiàng)目、國(guó)家電網(wǎng)國(guó)能生物科研項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666675822001060
供稿：電機(jī)系
題圖設(shè)計(jì)：梁晨
編輯：李華山
審核：郭玲
