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二维非铅钙钛矿动力学机理研究取得新进展,中
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近日,中国科学院大连化学物理研究所研究员郭鑫和中科院院士李灿团队在钙钛矿太阳电池稳定性研究方面取得新进展,相关研究成果在Cell出版集团旗下的Joule杂志上发表。

中科院大连化物所 二维非铅钙钛矿动力学机理研究取得新进展

中科院大化所钙钛矿太阳电池研究取得新进展

有机-无机杂化钙钛矿太阳电池因较高的光电转换效率而受到广泛关注,近年来发展迅速,成为光伏领域的研究热点,然而其器件稳定性差的问题制约它进一步发展。虽然通过界面修饰及掺杂等方法可以提高PSC稳定性,但并不能根本上解决有机-无机杂化钙钛矿材料自身稳定性差的问题。因此,提高钙钛矿材料本身的结构稳定性是从根本上解决PSC稳定性问题的一个关键。近年来,Ruddlesden-Popper型二维层状钙钛矿材料引起极大的关注和研究兴趣,因为它的大尺寸有机阳离子带有疏水取代基,以及层间存在范德华相互作用,可以一定程度上提高钙钛矿材料稳定性,此前也有研究表明,RP型二维PSC的稳定性优于传统三维PSC。然而,此类二维钙钛矿材料层间的范德华弱相互作用难以保证材料具有足够的结构稳定性。

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为进一步提高二维钙钛矿材料及其器件稳定性,基于“取消层间范德华相互作用,提高结构稳定性”的想法,该团队发展了一种Dion-Jacobson型二维层状钙钛矿材料。相比于RP型二维钙钛矿,DJ型二维钙钛矿无层间范德华相互作用,其有机阳离子在分子两端钧以氢键与无机钙钛矿层相连,因而具有更好的结构稳定性。以该类DJ型二维钙钛材料制备的PSC光电转换效率达到13.3%,特别值得注意的是其器件稳定性得到显著改善。未封装器件在“双85”(85°C和85%相对湿度)和一个标准太阳光持续光照条件下进行的老化测试表明,传统三维和RP型二维PSCs的效率快速衰减,而DJ型二维PSC长期测试后仍能保持95%以上的光电转换效率,表现出优异的湿热稳定性和光照稳定性。该工作从改善钙钛矿材料结构稳定性出发,为从根本上提高PSC稳定性提供了新的策略。

近日,中科院大连化物所复杂分子体系反应动力学研究组韩克利研究员带领团队在二维非铅钙钛矿材料动力学机理研究方面取得新进展,相关工作发表在《物理化学快报》上。

近日,中科院大连化物所洁净能源国家实验室硅基太阳能电池研究团队刘生忠研究员与陕西师范大学赵奎教授及阿卜杜拉国王科技大学Aram Amassian教授合作,在钙钛矿电池领域取得新进展,相关研究成果发表在《先进材料》上。

上述研究工作得到国家自然科学基金重大研究计划等的资助。

有机无机杂化钙钛矿材料具有吸收系数高、载流子扩散距离远以及合成简便等优点,被广泛用于光伏领域。然而,材料中含有的重金属铅会给生物和环境带来危害,同时材料的稳定性有待提高,因此发展非铅、稳定的钙钛矿材料具有重要意义。

有机无机杂化钙钛矿太阳电池因其卓越的光电性能受到广泛关注,但低温制备的多晶MAPbI3钙钛矿薄膜,其晶界处存在的大量缺陷会引起载流子复合,严重影响电池器件的光电转换效率及稳定性。

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研究人员合成了一种二维锗基钙钛矿材料:2GeI4。该二维钙钛矿结构是由有机的苯乙胺层和无机的碘化锗层组成,层与层之间由范德华力连接,层间距为1.65nm。DFT计算表明该材料为直接带隙,带隙值为2.17eV,与由固体紫外吸收测得的带隙相一致,意味着它适合用于串联电池。该二维锗基钙钛矿材料在室温下可以发出荧光,寿命超过1ns,显示出良好的光伏应用潜力。另外,引入长链有机阳离子形成的二维层状结构有效提高了钙钛矿的稳定性。该项研究工作拓宽了二维层状钙钛矿的研究范围,为非铅钙钛矿的发展提供了新的思路。

研究人员通过反溶剂修饰技术,在MAPbI3钙钛矿中引入带有路易斯酸/碱功能基团的半导体有机小分子,使得器件效率由17.5%提升至19.3%。研究中发现,半导体有机小分子与钙钛矿之间形成的路易斯酸碱加合物或卤素-富勒烯自由基,可以有效钝化Pb2+空位或Pb-I反位缺陷。同时,二者间能级匹配度的提升有助于增强缺陷钝化作用,提高载流子迁移率。

大连化物所高稳定性二维钙钛矿太阳电池研究取得新进展

此外,晶界处的疏水型有机小分子还能有效地抵御水汽进入。器件在50%的相对湿度环境下,放置40天后,仍保持80%以上的初始效率。这一工作为制备高效稳定的钙钛矿太阳电池提供了更加理性的思路和方法,也将有力推动钙钛矿太阳电池规模化投入商业应用。

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