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国家纳米科学中心丁黎明教授 "自然干燥"法制备效率23.28%的钙钛矿太阳电池

顶尖团队的选择

重点摘要

陕西师范大学的田庆文和刘生忠领导的研究团队近期在国际知名期刊Angew上公布了一项突破性的研究。该研究主要针对无机卤化物钙钛矿太阳能电池,发现碘间隙原子(Ii)与碘空位(VI)在形成能上具有相似性。这些缺陷会引起电荷的复合,进而影响电池的效能和稳定性。为了解决这一问题,研究团队成功地运用,二氨基吡啶(2,6-DAPy)钝化剂,进行了有效的钝化,从而大大提高了电池的效能。使用此技术后,功率转换效率从原本的19.6%提高到21.8%。

研究背景

太阳能电池是当今最具潜力的可再生能源之一。随着全球能源需求的增长和环境问题的加剧,寻找高效、稳定和环保的太阳能电池技术变得尤为重要。无机卤化物钙钛矿太阳能电池因其出色的光伏特性和简单的制程技术而受到了广大研究者的关注。然而,这类电池在使用过程中的稳定性问题一直是制约其商业化的主要障碍。特别是,卤化物钙钛矿太阳能电池中的卤化物相关表面缺陷是影响其性能和稳定性的主要原因。

近年来,许多研究者致力于寻找解决这一问题的方法。然而,尽管取得了一些进展,但在消除这些缺陷,特别是碘间隙原子(Ii)和碘空位(VI)方面仍然面临着巨大的挑战。这些缺陷会导致电荷的复合,从而降低电池的效能和稳定性。为了解决这一问题,需要深入了解这些缺陷的形成机制和性质,并开发有效的方法来消除或减少它们。

研究成果

陕西师范大学的田庆文 教授和刘生忠 教授领导的研究团队对这一问题进行了深入研究。他们首先使用密度泛函理论进行计算,确定了碘间隙原子(Ii)和碘空位(VI)在形成能上的相似性。研究发现,这些缺陷在无机卤化物钙钛矿太阳能电池的制程中容易形成,且可能会严重影响电池的效能。

为了解决这一问题,研究团队选择了二氨基吡啶(2,6-DAPy)作为钝化剂。这种钝化剂的特点是可以通过卤素-N吡啶和配位键的共同作用来消除Ii和游离的I2,并钝化丰富的VI。透过这种方法,研究团队成功地消除了这些缺陷,并大大提高了电池的效能。实验结果显示,使用此技术后,功率转换效率从原本的19.6%提高到了21.8%,这是此类型太阳能电池的纪录。此外,研究还发现,(2,6-DAPy)处理的CsPbI3-xBrx薄膜显示出了更佳的环境稳定性。

研究方法

  1. 精确称量CsI、HPbI3原料,配置0.6 M CsPbI3前驱体溶液,配制过程在氮气保护下进行。溶液旋涂于氧化钛基底上,4000rpm转速40秒,210°C退火5分钟生成CsPbI3钙钛矿薄膜。
  2. 使用785nm激光的拉曼光谱仪测试CsPbI3薄膜样品,检测 Raman peak 位置,确定薄膜表面是否存在约210cm-1处的碘间隙原子特征峰。同时,利用热脱附质谱仪在高温条件下检测薄膜释放的碘相关物种。
  3. 配制0.75 mg/mL的(2,6-DAPy)溶液,5000rpm转速30秒旋涂于CsPbI3薄膜表面。待干燥后,使用相同参数重新测试薄膜样品,观察碘间隙原子峰的消失。
  4. 在氧化钛电极上蒸镀CsPbI3薄膜,之后旋涂Spiro-OMeTAD制备三层结构。测量(2,6-DAPy)处理前后玻璃/CsPbI3/Spiro层状结构的瞬态PL衰减曲线,计算载流子寿命的变化。
  5. 制备完整 solar cell,引入(2,6-DAPy)作为钝化层,测试J-V曲线,确定电池的开路电压、短路电流密度、填因子和转换效率的提升值。
  6. 将参考电池和2,6-DAPy处理电池放入氮气箱(湿度<20%),进行100 mW/cm2 强度光照加速老化实验,持续测试电池参数,对比稳定性差异。
  7. 實驗採用光焱科技( Enlitech)SS-F5-3A太陽光模擬器以及SRC-2020 Si標準電池

结论

陕西师范大学的田庆文 教授和刘生忠 教授领导的研究团队的这项研究,为无机卤化物钙钛矿太阳能电池的发展开辟了新的道路。透过有效的钝化技术,不仅解决了表面缺陷的问题,还大大提高了电池的效能和稳定性。这意味着,未来这种太阳能电池有望在商业市场上得到广泛的应用,为人们提供更高效、更稳定的绿色能源。此外,这项研究还为其他研究者提供了宝贵的经验和数据,为进一步研究和开发提供了重要的理论基础。

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