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〔新華日報·交匯點〕南工大新成果讓鈣鈦礦太陽能電池更穩定、更高效
時間：2023-02-23
來源：
作者：周偉
攝影： 編輯：趙蕾
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交匯點訊 鈣鈦礦型太陽能電池由于其低成本溶劑加工、制備工藝簡單和能量轉化效率高等優勢已成為新型光伏領域最強有力的競爭者。但是，鈣鈦礦太陽能電池的商業化依然面臨著濕、熱、光等穩定性問題。
中國科學院黃維院士帶領的南京工業大學秦天石王芳芳研究團隊使用多種原位表征技術，解析了鈣鈦礦薄膜在旋涂和退火過程中的中間相、成核和結晶過程，并成功設計合成了一種多功能氟取代分子作為添加劑，該添加劑可以誘導鈣鈦礦薄膜形成更加有序的結晶，進而獲得了高效、穩定的鈣鈦礦太陽能電池器件性能。成果近日發表在《自然·通訊》。
新型多功能氟取代添加劑設計及鈣鈦礦薄膜結晶機制分析
據悉，基于混合離子的甲脒碘基鈣鈦礦太陽能電池達到了25.7%的功率轉換效率。在鈣鈦礦中加入混合離子可以有效抑制光活性黑相(α-FAPbI3)轉變成非鈣鈦礦黃相(δ-FAPbI3)或者降解為碘化鉛，但少量的這些離子會影響相應器件的穩定性。已經證明，混合離子鈣鈦礦在連續光照下會發生相偏析。揮發性陽離子成分會引起鈣鈦礦薄膜中的針孔和殘留碘化鉛的形成，嚴重影響了在高溫或潮濕條件下的器件性能。
“通過多種原位表征技術，對鈣鈦礦薄膜在旋涂和退火過程中的中間相、成核和結晶過程進行監測和深入研究，我們發現，造成混合離子鈣鈦礦困境的根本原因是，由于中間相誘導的多種成核途徑，導致其無法生長成均勻的高結晶性薄膜。” 王芳芳副教授介紹，鈣鈦礦材料是太陽能電池的吸光層（也叫光活性層），所以是黑色的，薄膜保持黑色才能保持光活性，才可以吸光發電，如果降解成黃色的碘化鉛，電池就不能工作了。鈣鈦礦薄膜是由鈣鈦礦晶體構成的，鈣鈦礦薄膜中晶體排列越有序，缺陷就越少，被水或濕氣攻擊的位點就越少，所以越穩定。
多種原位表征技術監測鈣鈦礦薄膜在旋涂和退火過程中的中間相、成核和結晶過程
針對上述問題，研究團隊成功設計合成了一種多功能氟取代分子作為添加劑，該添加劑可以抑制多中間相的生成，促進定向結晶，誘導鈣鈦礦薄膜形成更加有序的結晶，進而獲得了高效、穩定的鈣鈦礦太陽能電池器件性能。 “我們設計合成的新型添加劑材料，制備的鈣鈦礦太陽能電池實現了高達24.10%的效率，并表現出了優異的器件穩定性，連續光照1000小時或在≈50%濕度的空氣環境中加速老化2000小時后，仍保持了其初始效率值的95%以上。”論文第一作者、碩士生李慕白說，加了添加劑的鈣鈦礦薄膜，不僅能抗擊住空氣中的少量水分，甚至直接放到水中浸泡5分鐘以上仍不分解，而參比薄膜在1秒鐘之內就分解掉了，團隊設計的新型材料極大地提高了鈣鈦礦太陽能電池的穩定性。
這項工作有助于更深層次的理解混合離子鈣鈦礦制備過程中的結晶動力學機制及調控方法，為新型鈣鈦礦添加劑的分子設計提供了重要見解。
據悉，研究團隊一直致力于新型光電材料的開發、鈣鈦礦基礎科學的探索和高效鈣鈦礦太陽能電池的制備領域。此研究成果再次在高效、穩定的鈣鈦礦太陽能電池領域實現突破，為高效利用新能源資源拓展了新途徑。
通訊員 周偉
新華日報·交匯點記者 謝詩涵
2023年2月22日《新華日報·交匯點》：https://jnews.xhby.net/v3/waparticles/7fda002d5708436da67a57947ffc4b06/0/eG2BB6qwMxC7fbdd/1
