Nature Energy報導周歡萍課題組在鈣鈦礦太陽能電池上的重要進展

2020-08-27 科研速報

有機陽離子以及滷素陰離子空位缺陷是制約鈣鈦礦太陽能電池高效率以及長期穩定性的主要因素，如何同時消除這兩種缺陷是當下的難題。基於此，北京大學工學院周歡萍研究員課題組提出一種新的消除機制，即在鈣鈦礦活性層中引入氟化物，利用氟極高的電負性，實現氟化物同時與有機陽離子形成強氫鍵以及與鉛離子形成強離子鍵的雙重效果。從而有效消除了有機陽離子以及滷素陰離子的空位缺陷，大大提升了電池的光電轉換效率和長期穩定性。相關研究於2019年5月13日在國際頂級學術期刊《自然能源》(Nature Energy )上發表，題為：Cation and anion immobilization through chemical bonding enhancement with fluorides for stable halide perovskite solar cells (doi: 10.1038/s41560-019-0382-6)。

太陽能作為一種取之不盡用之不竭的清潔能源備受研究人員關注，而將太陽能轉換為電能的太陽能電池也是世界上眾多課題組青睞的材料。近年來，有機無機雜化鈣鈦礦太陽能電池以其高效率、低成本的優勢獲得了學術界和產業界的眾多關注，而其光電轉換效率也在短短幾年內迅速提升至24.2％，是單節電池中當下效率最高的薄膜太陽能電池。

然而，這類電池穩定性不佳是嚴重阻礙其商業化應用的主要因素。相比於傳統無機光伏材料，有機-無機雜化鈣鈦礦材料晶格較軟，且是一種離子晶體，易在外界環境的幹擾下發生離子遷移，形成大量的空位缺陷，從而誘導晶格塌縮以及組分分解，從而使其不再具備優異的光電轉換能力。

在眾多的空位缺陷中，滷素陰離子和有機陽離子空位由於其較低的缺陷形成能而普遍存在於鈣鈦礦表面以及晶界，該兩種空位缺陷不僅會影響太陽能電池的工作效率，且會誘導鈣鈦礦晶體的進一步退化，形成更多的體相缺陷。針對這兩種缺陷之前報導的工作主要集中在鈍化單一缺陷，即有機陽離子或滷化物空位，無法做到「魚與熊掌兼得」。如何同時消除這兩種缺陷，實現鈣鈦礦太陽能電池的更高效率和高穩定性是鈣鈦礦材料目前最為棘手的問題。


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