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科研進展

方國家教授課題組在鈣鈦礦電池穩定性方面取得系列重要進展

來源:MG娱乐官网  發布時間:2017-06-25 23:35:21 點擊次數:

近年來,有機無機雜化MAPbX3 (X=Cl, Br和I)鈣鈦礦材料由于其卓越的光電性能而受到廣泛關注。鈣鈦礦太陽能電池因其效率高、成本低而受到廣泛專注。短短數年之間,光電轉換效率已經從2009年報道的3.8%迅速提高到了22.1%。

雖然鈣鈦礦電池取得了優異性能,但是長期以來制約其商業化的一個難題是其穩定性問題。一方面鈣鈦礦材料本身不穩定,對濕度非常敏感,易分解引起性能衰減,另一方面鈣鈦礦電池中常用的spiro空穴傳輸材料會加速器件的降解。Spiro本身空穴遷移率很低,為了增加其遷移率通常需要使用添加劑,而添加劑非常親水,又容易在spiro薄膜中發生遷移形成大量孔洞,導致空氣中水分的滲入或者Au電極與鈣鈦礦的直接接觸,引起器件性能的快速衰減。

方國家教授課題組的研究人員針對這些問題在前期研究了采用SnO2納米片隔絕水汽,阻止鈣鈦礦的相分離,從而提高電池穩定性的方法();研究了通過采用自組裝的SAM層修飾電子傳輸層表面,減緩鈣鈦礦材料的分解,提高電池的效率和穩定性();研究了通過采用穩定性更好的八甲基取代的酞氰銅CuMe2Pc來取代spiro,進一步提高了電池的穩定性()。

最近,方國家教授課題組在采用金屬硫化物材料提高鈣鈦礦電池穩定性方面取得了重要系列進展。與中科院化學所李永舫院士、張志國教授課題組合作,研究人員通過真空熱蒸發法技術在spiro薄膜表面引入一層無機p型空穴傳輸材料硫化銅(CuxS),制備出了高品質的空穴傳輸薄膜和器件。 CuxS薄膜常溫沉積,無需后退火,具有很高的空穴遷移率(4.47 cm2V?1s?1),提升了器件的空穴抽取效率。更為重要的是CuxS平整致密,可以填充spiro薄膜表面因Li離子遷移引起的孔洞,而且其具有優異的疏水性(水接觸角91.64°),可以抵抗空氣中的水分侵蝕,大大提高了器件在潮濕空氣中的穩定性。基于CuxS的鈣鈦礦電池光電效率達到了18.58%,在濕度40%的空氣中保存1000小時可保持90%以上的初始效率。該成果以《使用高遷移率、常溫沉積的的硫化銅作為空穴傳輸傳輸層增強鈣鈦礦電池性能》“Incorporation of High-Mobility and Room-Temperature-Deposited CuxS as the Hole Transport Layer for Efficient and Stable Organo-Lead Halide Perovskite Solar Cells”為題發表在Wiley出版社的全新期刊Solar RRL ()上,并當選為該雜志2017年1月-5月熱點文章Top 1。文章署名第一單位為MG娱乐官网,第一作者為博士生雷紅偉,博士生楊光、鄭小璐為共同第一作者。

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進一步地,方國家教授課題組的研究人員在spiro上常溫沉積PbS作為空穴傳輸層和緩沖層。常溫沉積的PbS呈現(200)方向的擇優取向,具有高空穴遷移率(2.04 cm2V?1s?1)。將其與spiro層復合,提升了器件的空穴抽取效率。而且PbS本身具有疏水性,表面平整致密,可以填充spiro薄膜表面孔洞,阻礙水分或材料中相關離子的遷移,防止金電極與鈣鈦礦直接接觸產生的載流子復合。插入PbS后的電池呈現優異的表面疏水特性(水接觸角98.24°),在濕度40%的空氣中保存1000小時以上效率無衰減。此外,該電池還表現出優異的熱穩定性,在85°C環境中放置近100小時效率衰減為43.9%,相比沒有插入PbS的電池(效率衰減74.6%),穩定性大大提升。通過優化鈣鈦礦材料的制備工藝和器件的界面,基于PbS的鈣鈦礦電池光電效率達到了19.58%。該成果以《使用高遷移率的p型硫化鉛增強鈣鈦礦電池的效率和穩定性》“Enhancing efficiency and stability of perovskite solar cells via a high mobility p-type PbS buffer layer”為題發表在Nano Energy上()。文章署名第一單位為MG娱乐官网,第一作者為博士生鄭小璐。

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