工學院佔肖衛課題組與合作者在鈣鈦礦太陽能電池研究中取得重要進展

2020-12-04 北大新聞網

最近，北京大學工學院佔肖衛課題組與合作者在鈣鈦礦太陽能電池的研究中取得重要進展，相關工作發表在能源領域著名期刊《能源與環境科學》（Energy & Environmental Science）和化學領域著名期刊《美國化學會志》（Journal of the American Chemical Society）上。

近年來，有機無機雜化鈣鈦礦材料因其吸收係數高、雙極性電荷傳輸、載流子擴散距離和壽命長、可溶液加工、廉價等特點引起了學術界的廣泛關注。基於這類材料的太陽能電池的光電轉換效率從最初的3.8%迅速提升至23.3%。然而，鈣鈦礦太陽能電池仍然面臨穩定性和毒性等問題。利用含有官能團的有機半導體材料對界面修飾或對鈣鈦礦層摻雜，能有效抑制鈣鈦礦太陽能電池的遲滯現象，改善鈣鈦礦薄膜質量，減少鈣鈦礦體相和界面缺陷，從而提升器件光伏效率和穩定性。

為了減少金屬氧化物電子傳輸材料中的氧空位缺陷，降低界面複合，提升器件性能，佔肖衛課題組與合作者採用帶有錨合基團的富勒烯衍生物C9修飾SnO2電子傳輸層表面。C9具有合適能級和高的電子親和能，有利於光生電子的界面抽取。其長鏈末端的羥基可以作為Lewis鹼，與SnO2中未完全配位的Sn錨合，有效鈍化SnO2表面的氧空位缺陷。長烷基鏈有利於分子在SnO2表面有序組裝。富勒烯基團與長烷基鏈共同提供了疏水的SnO2表面，從而影響鈣鈦礦薄膜的結晶過程，生成晶粒更大、結晶性更好的鈣鈦礦薄膜。基於C9修飾的鈣鈦礦太陽能電池獲得了21.3%的光電轉換效率，幾乎沒有遲滯現象，器件的穩定性也有所提高（Energy Environ.Sci.，DOI:10.1039/c8ee02172d，博士研究生劉寬是第一作者）。

佔肖衛課題組提出了稠環電子受體-鈣鈦礦雜化太陽能電池的新概念。在鈣鈦礦前驅體溶液中添加稠環電子受體INIC2，以調控鈣鈦礦膜的形貌，從而獲得更大的晶粒和更強的結晶性。同時INIC2分子內含有孤對電子的原子或原子團可以與未完全配位的鉛原子發生作用，從而鈍化鈣鈦礦缺陷，減少電荷複合。此外，具有較高遷移率和合適能級的INIC2可以有效促進電子抽取和傳輸。基於INIC2-鈣鈦礦雜化膜的太陽能電池獲得21.7%的光電轉換效率，穩定性也獲得提升。（J. Am. Chem.Soc.，DOI: 10.1021/jacs.8b09300，博士研究生張明煜是第一作者）。

分子結構式和太陽能電池器件結構圖

這項研究得到國家自然科學基金等的資助。主要合作者包括中國科學院物理所孟慶波研究員、蘇州大學屠迎鋒教授、北京大學周歡萍特聘研究員、香港中文大學路新慧教授和紐西蘭惠靈頓維多利亞大學Justin M. Hodgkiss教授等。

編輯：麥洛


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