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2022 Adv. Funct. Mater.:环保聚合物如何钝化钙钛矿薄膜缺陷和减缓铅泄露

标题- 用于高效稳定倒置钙钛矿太阳能电池的环保聚合物

第一作者:曹琦/李炫华教授课题组

本文亮点

  利用环保型聚合物(聚(己二酸丁二醇酯-对苯二甲酸丁二醇酯,生物降解性,PBAT)钝化钙钛矿薄膜缺陷和减缓铅泄露。PBAT聚合物中由于拥有足够多的羰基和苯环,可以钝化钙钛矿材料中未配位的Pb2+和中性碘缺陷,从而调节钙钛矿薄膜的结晶,降低缺陷态密度,抑制非辐射复合并改善电荷载流子传输。PBAT修饰的反式PSCs实现了22.07%的PCE。封装的PBAT修饰器件操作稳定性显著提高,在45 °C和一个太阳光照射下功率点追踪1000 h后,保持初始效率88%,估计T80(保持初始效率80%的时间)可以达到3249 h。更重要的是,理论计算和实验证明,将聚合物包覆的钙钛矿薄膜直接浸入水中,聚合物网络可以保护Pb2+不被水溶解,防止近98%的Pb2+泄漏。

研究动机

  正式和反式卤化铅钙钛矿太阳能电池(PSCs)的认证光电转化效率(PCE)分别高达25.7% 和24.3%,可与包括多晶硅(p-Si)和碲化镉(CdTe)等在内的占市场主体的光伏技术相媲美。如此高的 PCE表明效率不再是PSCs商业化的主要障碍。因此,目前的研究重点逐渐转向钙钛矿相变机制以及PSCs在湿度、光和热应力下的稳定性。通过利用缺陷钝化和界面修饰、成分和晶体工程、封装技术、电极和传输层选择等方式,可以消除外部环境的影响,延长器件的寿命。尽管如此,PSCs在高效率下的长期运行稳定性尚未实现,这仍然是PSCs大规模市场化之前需要克服的关键问题。

  另一个问题是关于PSCs的铅泄漏问题。CdTe在水中的溶解度很低,溶度积常数(Ksp)低于1030,对环境的毒性风险较低。与热化学稳定的CdTe相比,钙钛矿中的卤化铅具有更高的水溶性(Ksp超过108)。人体摄入Pb2+会对组织和神经系统造成损害。因此,找到有效的减少Pb2+泄漏的方法至关重要,这样PSCs才能在实际生活中得以使用。目前二维金属有机骨架、阳离子交换树脂和聚合物在解决Pb2+泄漏问题上取得了很好的效果,具有借鉴意义。其中,一些含有路易斯碱基团的聚合物添加剂也可以作为Pb螯合剂钝化深能级缺陷,从而提高PSCs的性能。常见的聚合物,包括聚(丙烯酸)、聚(丙烯酰胺)和聚(丙烯腈)等(生物)降解性差,对环境有破坏作用。迫切需要寻找环保型修饰剂,既能有效降低钙钛矿的铅溶解,又能提高光伏性能。

本文所用仪器

  • 光焱科技的QE-R量子效率测量系统

研究成果说明

  我们用外部量子效率(EQE)光谱积分标件和PBAT修饰器件的Jsc分别为21.92 mA cm−2和22.91 mA cm−2,这与J-V曲线中测量的Jsc值基本一致(图1(e))

   图1. 器件性能表征。a) 反式PSC的结构示意图; b) 标件和 c) PBAT修饰的PSC的J-V曲线;d) 功率点 (MPP) 附近测得的稳态电流密度和稳态输出效率; e) EQE光谱和积分光电流; f) 1 cm2面积的PBAT修饰 PSC 的J-V曲线,插图是器件的照片。

通讯作者简介

李炫华,西北工业大学材料学院纳米能源材料研究中心教授,国家高层次人才青年项目入选者,伦敦玛丽女王大学客座教授,陕西省科技重点创新团队负责人,陕西省杰出青年基金获得者。从事纳米光电材料与文物保护材料相关研究。主持国家、省部级等各类项目10余项,授权国家发明专利20项,以第一作者或通讯作者在Nat. Commun., Sci. Adv., Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Adv. Energy. Mater., Adv. Funct. Mater. 等国际期刊发表论文75篇,影响因子大于15的论文23篇,其中11 篇文章被选为封面。

本文关键词:环保聚合物、environmental-friendly polymer、铅泄露、Lead Leakage、量子效率、Quantum Efficiency

原文:https://doi.org/10.1002/adfm.202201036

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