中心主任丁建宁教授团队在钙钛矿电池效率方面取得重要进展

   发布时间: 2017-04-20    访问次数: 13

随着世界人口的增长和工业的发展,全球范围内能源的需求和化石能源的消耗持续增长,可再生能源的的开发利用迫在眉睫。光伏技术是解决能源问题最有前景的战略措施之一。尽管一代硅太阳能电池和二代薄膜电池的制备工艺成熟、市场化水平高,但依然存在原材料成本较高,电池工艺复杂,成本昂贵,或含有剧毒和稀有元素等明显缺点。近年来,一种基于有机-无机杂化钙钛矿结构(ABX3)光的新型太阳电池,钙钛矿电池,由于其制备工艺简单、成本低廉、转换效率高等优势,引起了人们的广泛关注。钙钛矿电池发展极为迅猛,被被认为是近年来光伏领域最重要的发明之一。

但要实现钙钛矿电池的大规模商业化,还需进一步提高电池的效率,并解决电池的稳定性问题。针对上述问题,江苏省光伏科学与工程协同创新中心展开了大量的研究,并获得重要进展。通过溶剂工程调控,优化钙钛矿薄膜的结晶质量,提高钙钛矿电池的光电转换效率。同时通过选择合适的溶剂体系(DMAc/NMP混合溶剂)实现钙钛矿材料的无退火过程制备。实验结果显示,相比于目前使用最为广泛的DMF/MSO混合溶剂体系,DMAc/NMP混合溶剂更有助于促进钙钛矿材料的结晶过程,将钙钛矿电池的效率从15.83%提高到17.38%,相关结果发表于Journal of Materials Chemistry C (2017, 5, 842)。通过在钙钛矿光吸收层中掺入适量的石墨烯量子点(GQDs),可以实现钙钛矿电池效率的进一步提高。在制备过程中,GQDs充当钙钛矿晶体的成核和生长中心,且相邻钙钛矿晶粒通过GQDs的连接发生融合,晶粒尺寸有所增大。此外,GQDs的存在可以有效钝化钙钛矿晶体表面的悬挂键,抑制载流子的复合,并促进电子的快速抽取和转移。相关成果发表在Physical Chemistry Chemical Physics 2017, 19, 6057)上。针对钙钛矿电池的稳定性问题,通过在空穴传输层上ALD沉积一层超薄的Al2O3,有效隔绝水分,避免水汽对钙钛矿材料的腐蚀。电池无封装情况下放置24天后,其光电转换效率接近初始效率的90%,这意味着钙钛矿电池的稳定性问题可以通过物理隔水的方法加以改善。相关成果发表在Journal of Materials Chemistry A (2015, 3, 5360)上。此外,使用水溶性添加剂聚乙烯醇(PVA)对MAPbI3薄膜进行改性,实现了高质量、高稳定性钙钛矿薄膜及器件的制备。PVA对水分的吸收分为是多级吸收,从而使得PVA可以同时吸收并锁住水分。由于PVA较强的吸水能力,当钙钛矿器件暴露在高湿度环境中,大部分的水分子会被PVA吸收,从而大大降低钙钛矿材料受水分子腐蚀的可能性,提高器件的湿度稳定性。加入了PVA的钙钛矿电池效率达到17.41%,比纯钙钛矿电池效率提高了约12%,且在90%的高湿度环境中放置30天后,电池效率衰减<10%,相关结果发表于Journal of Materials Chemistry A 2017, 5, 1374)。

研究工作的创新点及科学意义:

利用溶剂工程优化钙钛矿薄膜的质量,实现无退火过程钙钛矿薄膜的制备,并通过钙钛矿层的掺杂改性,有效钝化界面、促进电荷快速抽取和转移,实现钙钛矿电池光电转换效率的提升。实验和理论结合,考察了钙钛矿材料的降解机制,采用物理阻隔、化学吸附等方法,大幅度提升钙钛矿材料与器件的湿度稳定性。通过工艺、结构的创新性设计,把电池的效率提升到18.34%,高湿度条件下稳定性超过30天,对于改善钙钛矿太阳电池性能、推动钙钛矿电池商业化应用有着重要的指导意义。

1 a)钙钛矿电池结构和PVA分子结构示意图;(b)不同浓度PVA掺杂的钙钛矿太阳电池J-V曲线图;(c90%湿度条件下电池效率衰减趋势图


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