復旦突破鈣鈦礦材料核心難題，製備出高效穩定太陽能電池

2020-10-05 索比光伏網

在短短十年內，基於金屬滷化物鈣鈦礦的太陽能電池功率轉換效率就從起初的3.8%上升到25.2%，超過其他類型的薄膜太陽能電池。

然而，要論實際應用，該類材料的熱穩定性差是個核心難題。

近日，復旦大學信息科學與工程學院詹義強、鄭立榮和瑞士洛桑聯邦理工大學(EPFL)合作實現了一種室溫穩定的鈣鈦礦材料，並且製備出了光電轉換效率超過23%的高效穩定太陽能電池。

相關論文於10月2日發表在世界頂級學術期刊《科學》(Science)上，題為《氣氛輔助製備高效高穩定黑相甲脒鉛碘鈣鈦礦太陽能電池》(Vapor-assisted deposition of highly efficient, stable black-phase FAPbI3 perovskite solar cells)。

鈣鈦礦是指一類分子通式為ABX3的晶體，通常為立方體或八面體結構。鈣鈦礦型金屬滷化物已經在太陽能光伏電池、發光二極體(LED)、雷射器和光電探測器等研究領域嶄露頭角。其中，α黑相甲脒鉛碘(FAPbI3)鈣鈦礦具有相對良好的熱穩定性和接近理想帶隙等特點，被視作離實用最近的「候選人」。

然而， FAPbI3在150°C以下會「翻臉」，從光活性的黑相(a相)轉變成非光活性的黃相(d相)，造成材料降解及電池性能衰減。雖然通過摻雜混合等方式可以得到室溫穩定的a-FAPbI3薄膜，但是在實際工作條件下，材料會出現相分離以及吸收譜藍移等問題。

為了解決獲得穩定的純a-FAPbI3薄膜這一國際難題，復旦和瑞士這個聯合團隊深入研究FAPbI3的相變機理，創新性地開發了一種基於硫氰酸甲銨(MASCN)蒸汽或硫氰酸甲脒(FASCN)蒸汽的氣相輔助生長技術。該技術能在較低退火溫度下(100°C)將FAPbI3從黃相完全轉化為黑相，並保持長期穩定。

非光活性的黃相在MASCN蒸汽或FASCN蒸汽下轉換為光活性的黑相原來，SCN-離子會優先吸附於黃相FAPbI3表面，由於Pb2+與S之間存在強親和力作用，SCN-離子取代了與Pb2+成鍵的I離子，將d相FAPbI3面共享八面體結構的頂層瓦解，自上而下，將黃相FAPbI3完全轉化為黑相FAPbI3。

即使經過500小時的85°C退火實驗測試中，基於新技術製作的a-FAPbI3薄膜保持純黑相，呈現出優秀的熱穩定性。

研究團隊進一步用低缺陷密度的a-FAPbI3薄膜製作出鈣鈦礦太陽能電池，其光電轉化效率可超過23%，具備低開路(330 mV)電壓損失、低電致發光啟動電壓(0.75V)的特性，且在最大功率點追蹤500小時後，依然保持原有性能的90%以上。

復旦大學新聞網報導稱，該項突破為鈣鈦礦材料在高效輕質光伏電池、新型LED和其它光電器件系統等應用奠定了基礎，對太陽能清潔能源的泛在利用、新型柔性大面積光電器件與系統、以及智慧機器人自主供電等具有重要意義。

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