《Nature Photonics(IF>39.728)》北京大学周欢萍教授团队:淀粉聚离子超分子缓冲层提高钙钛矿太阳能电池的疲劳抗性,电池的转化效率可达24.3%
重点摘要
(1)周欢萍教授团队利用淀粉-聚碘超分子作为缓冲层,显著改善了钙钛矿太阳能电池的疲劳行为和循环稳定性。
(2)经修改的钙钛矿太阳能电池在连续42个日夜循环后,发电效率可保持在98%。
(3)该研究为如何利用超分子化学调控软晶格材料的元稳定动力学提供了重要见解。
研究背景
由于钙钛矿太阳能电池具有软体和离子晶格结构,它们极易受外部刺激的影响。在循环载荷的实际环境中,电池很容易出现明显的疲劳。由于缺乏对材料降解的基本理解,目前还没有有效的方法来减轻这种循环照明下的电池疲劳。
研究结果
研究人员在钙钛矿材料的界面引入了淀粉-聚碘超分子作为双功能缓冲层,它既可以抑制离子迁移,也可以促进缺陷的自我修复。经修改的钙钛矿太阳能电池在连续42个日夜循环后,原始的光电转换效率可保持在98%。这种电池也达到了24.3%的光电转换效率(认证值为23.9%),并且具有强烈的电致发光,外量子效率高达12%以上。
研究方法
研究人员首先合成了淀粉-聚碘超分子材料,并将其作为缓冲层插入钙钛矿太阳能电池的载流子输运层与光吸收层之间。他们从多个角度分析了缓冲层的影响,包括电化学测量、光致发光谱、小角入射X射线衍射、热重分析等,以确认其双功能机制。然后,他们制备了采用该缓冲层的钙钛矿太阳能电池,并通过42个日夜循环的加速老化试验考察其循环稳定性和发电效能。结果证实,缓冲层明显提高了电池在循环载荷下的稳定性。
结论
本研究通过在钙钛矿太阳能电池的界面引入淀粉-聚碘超分子缓冲层,显著改善了电池的循环稳定性和疲劳行为,为实现钙钛矿太阳能电池的实际应用提供了有效途径。该超分子缓冲层的双功能机制也可应用于其他软晶格材料的界面设计。研究结果对利用超分子化学手段调控软晶格材料的元稳定性具有重要启发意义。
图S28. a,含不同浓度淀粉-碘Starch-I的w/ Starch-I装置的J-V曲线。b,开路电压和填充因子随Starch-I浓度的依赖性。c,作为LED操作时装置的EL的EQE。d,EQEEL和开路电压随Starch-I浓度的依赖性。
图S30. 含Starch-I的w/ Starch-I装置(a)和参考装置(b)的J-V曲线。
图S32. 外量子效率(EQE)谱及合并的JSC为24.5 mA cm-2 457 的含Starch-I装置。
图S34. 装置在1472小时SPO跟踪之前和之后的J-V曲线(67 mV s1由1.2 V扫描至–0.2 V 470)。参考装置的PCE由20.1%衰减至14.0%,而含Starch-I装置由20.5%衰减至19.4%。
图S36. 装置在DCO(12/12小时光/暗循环,共1008小时)跟踪之前和之后的J-V曲线(67 mV s1由1.2 V扫描至–0.2 V 483)。参考装置的PCE由20.7%衰减至11.6%,而含Starch-I装置由21.6%衰减至21.2%。
图S39. 装置在DCO(每循环20分钟)跟踪之前和之后的J-V曲线。含Starch-I装置的PCE由21.5%衰减至20.7%。
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