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    寧波材料所在α-FAPbI3基鈣鈦礦太陽能電池和大面積組件制備方面取得進展
    作者:,日期:2023-12-13

      鈣鈦礦由于其長載流子擴散長度、長載流子壽命和寬吸收范圍,已經成為低成本和高性能太陽能電池的潛在材料。在眾多鈣鈦礦材料體系中,FAPbI3體系具備較小的光學帶隙和較好的熱穩定性,更有利于高效穩定鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)的開發和制備。然而研究發現,室溫下FAPbI3體系更容易形成黃相δ-FAPbI3而非光活性的黑相α-FAPbI3,這會影響鈣鈦礦結晶過程,導致PSCs的光伏效率和長期穩定性受限。此外已有研究證實通過一步溶液工藝沉積的鈣鈦礦薄膜遵循向下生長機制,因此具有較低形成能的中間體δ-FAPbI3最初會在半濕膜的表面上形成,從而干擾α-FAPbI3的可控和定向結晶。

      為了解決這一問題,中國科學院寧波材料技術與工程研究所葛子義研究員和劉暢研究員等人在前期鈣鈦礦太陽能電池研究的基礎上(Adv. Mater. 2023, 2302752; Angew. Chem.Int. Ed. 2023, 135, e202217526; Adv. Funct. Mater. 2023, 2214788; Adv. Funct. Mater. 2023, 2210600;Infomat 2022, e12379;Nano Energy 2022, 93, 106800;Energy Environ. Sci. 2022, 15, 3630;Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2101416),近期在α-FAPbI3基鈣鈦礦太陽能電池和大面積組件制備方面取得了重要進展。

      在這項研究中,團隊創新性地設計合成了一種新型二維鈣鈦礦(NAM)2PbI4,通過削弱有機中間層和[PbI6]4-八面體之間的氫鍵作用釋放八面體畸變。由于二維鈣鈦礦的(002)晶面與立方α-FAPbI3的(100)晶面之間可以形成高度匹配的異質界面,從而降低晶體形成能并誘導α-FAPbI3的異質成核。這種“外延生長”機制導致α-FAPbI3形成高度優選的(100)晶面取向,有效釋放鈣鈦礦薄膜內的拉伸應力,并減少非輻射復合位點。目標PSCs的光電轉換效率達到25.4%(認證25.2%),并表現出較好的環境穩定性和運行穩定性。此外還制備了大面積鈣鈦礦太陽能電池組件,5cm×5cm基底鈣鈦礦太陽能電池組件(有效面積為10 cm2)效率從18.2%顯著提高到20.1%,這也證明該策略在高質量鈣鈦礦薄膜的可擴展沉積中的可行性。

      該工作以“Epitaxial growth of α-FAPbI3 at a well-matched heterointerface for efficient perovskite solar cells and solar modules”為題發表在材料領域頂級期刊Advanced Materials(DOI:10.1002/adma.202309208)。該項研究由寧波材料所有機光電材料與器件團隊葛子義研究員、劉暢研究員與武漢理工大學魯建峰研究員合作完成,寧波材料所孟員員博士后和武漢理工大學王玉龍博士為共同第一作者。

      上述工作得到了國家杰出青年科學基金(21925506)、國家自然科學基金(U21A20331、81903743、22279151、22275004)等項目資助。

    圖1 (a) 鈣鈦礦薄膜的結晶機制示意圖;(b) 鈣鈦礦太陽能電池J-V特性曲線;(c) 鈣鈦礦太陽能電池組件結構示意圖;(d) 鈣鈦礦太陽能電池組件J-V曲線和P-V曲線

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