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科研進展

方國家教授課題組在鈣鈦礦太陽能電池研究方面再獲進展

來源:MG娱乐官网  發布時間:2016-09-21 16:59:08 點擊次數:

鈣鈦礦作為一種新型的吸光材料,以其具有合適的帶隙、理想的電子空穴擴散長度、高的吸光系數等特性,使得鈣鈦礦太陽能電池在幾年之內迅速成為全球的研究熱點,目前其電池性能已達到與硅太陽能電池相當的水平,并且制備工藝簡單,成本低廉,具有很好的應用前景。近期,我院方國家教授領銜的能源材料與半導體器件課題組,在鈣鈦礦光伏電池領域特別是SnO2基鈣鈦礦太陽能電池研究方面再次取得多項重要進展,研究成果在《Advanced Functional Materials》、《Advanced Materials》、《Small》、《Journal of Materials Chemistry A》等國際著名期刊上相繼發表。這一系列工作得到了國家863計劃、國家自然科學基金委和科技部973納米專項的支持。

成果1:《使用低溫水熱生長的二氧化錫作為電子傳輸層增強鈣鈦礦電池的穩定性》

鈣鈦礦太陽能電池是一種擁有巨大潛力的光伏器件,但因穩定性和電池效率衰減等問題,離工業化生產仍然有一定的距離。課題組與中科大張振宇教授合作,通過低溫(95℃)水熱方法制備出一種納米多級結構二氧化錫電子傳輸層,用以提高電池的穩定性。這種多級結構二氧化錫電子傳輸層,主要由一層納米二氧化錫致密層和一層由豎立的二氧化錫納米片陣列組成的多孔層組成。其中,致密層主要起到擋空穴的作用,而多孔層起到加快電子的傳輸、阻擋水汽的侵入、抑制鈣鈦礦界面處的分解從而提高電池的穩定性和充當鈣鈦礦支架層來增加電池吸光等。基于這種低溫水熱方法生長的SnO2,鈣鈦礦電池的光電轉化效率可達 16.17%。更值得關注的是,這種多級結構二氧化錫鈣鈦礦太陽能電池在低濕度無封裝室溫條件下放置 3000小時后,其效率衰減不超過10%。這種多級結構二氧化錫電子傳輸層可在柔性襯底上制備,為制備穩定高效柔性鈣鈦礦光伏器件提供了一種可能。

該成果以《使用低溫水熱生長的二氧化錫作為電子傳輸層增強鈣鈦礦電池的穩定性》“Enhanced Stability of Perovskite Solar Cells with Low-temperature Hydrothermally Grown SnO2 Electron Transport Layers”為題發表在國際著名期刊《先進功能材料》(Advanced Functional Materials)上。論文第一署名單位是武漢大學,第一作者是物理科學與技術學院2013級碩士生劉琴。

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成果2:《使用低溫水熱生長的釔摻雜的二氧化錫作為電子選擇層來減小鈣鈦礦太陽能電池的回滯提高其性能》

鈣鈦礦太陽能電池中經常出現的J-V曲線回滯問題,使鈣鈦礦器件真實性能的客觀評價出現偏差。為了減小鈣鈦礦電池中的回滯效應、進一步提高鈣鈦礦電池的效率,課題組與校友美國托萊多大學鄢炎發教授合作,研究通過在低溫水熱生長的納米多級結構二氧化錫電子選擇層中進行了適釔的摻雜,從而提高界面載流子的傳輸、減小界面載流子的堆積和存儲,顯著地提高了器件的性能并減小了回滯效應。進一步的研究發現,釔摻雜可以得到生長更均勻、取向更一致的二氧化錫納米片,從而改善了其與鈣鈦礦吸光層的界面接觸,提高載流子的傳輸。同時,釔摻雜也可以調整二氧化錫的能帶,提高二氧化錫的電導率,從而顯著地改善了鈣鈦礦太陽能電池中載流子的傳輸效率并大大地抑制器件的回滯效應。研究表明,以低溫水熱生長的釔摻雜的二氧化錫納米片作為電子選擇層器件的效率達到17.29%。

該成果以《使用低溫水熱生長的釔摻雜的二氧化錫作為電子選擇層來減小鈣鈦礦太陽能電池的回滯提高其性能》“Reducing Hysteresis and Enhancing Performance of Perovskite Solar Cells Using Low-temperature Processed Y-Doped SnO2 Nanosheets as Electron Selective Layers ”為題發表在國際著名期刊《Small》上(DOI: 10.1002/smll.201601769),論文論文第一署名單位是武漢大學,第一作者是MG娱乐官网2016級博士生楊光。

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成果3:《使用硫氰酸鉛添加劑來減小平面鈣鈦礦太陽能電池的回滯提高其填充因子》

鈣鈦礦吸光層對電池器件的性能起著至關重要的作用,為了進一步提升鈣鈦礦電池的性能 制備更高質量的鈣鈦礦吸光層,課題組成員與校友、美國托萊多大學鄢炎發教授、Duke大學David Mitzi教授合作,通過在鈣鈦礦的前驅體中加入少量的 Pb(SCN)2, 使得鈣鈦礦的晶粒明顯變大, 并且還使得鈣鈦礦的晶界被殘余的PbI2鈍化,從而降低了鈣鈦礦電池的暗電流和離子遷移,有效的降低了平面鈣鈦礦電池的磁滯效應,提高填充因子。最后,研究人員進一步整合了富勒烯鈍化的 SnO2 電子傳輸層和經過晶界鈍化的鈣鈦礦吸光層, 使得平面鈣鈦礦太陽能電池的效率高達 19.45%。

該成果以《使用硫氰酸鉛添加劑來減小平面鈣鈦礦太陽能電池的回滯提高其填充因子》“Employing lead thiocyanate additive to reduce hysteresis and boost fill factor of planar perovskite solar cells ”為題發表在國際頂尖期刊《先進材料》上 (Advanced Materials) 上, 論文第一作者是物理科學與技術學院2013級博士生柯維俊。

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成果4:《基于高溫二氧化錫的平面鈣鈦礦太陽能電池的性能增強的電學性能與機制探究》

在鈣鈦礦太陽能電池中,二氧化錫的高遷移率、寬帶隙以及良好的光學增透性,使其成為很好的電子傳輸材料。課題組的研究人員發現,在以高溫制備的二氧化錫作為電子傳輸層的鈣鈦礦中,在二氧化錫中摻雜適量的鎂可以顯著地改善其結構均勻性和膜的平整性,提高電池的性能(電池效率提升92.8%)。通過鎂元素的摻雜調控,增強了二氧化錫的電學性能,一方面減小了二氧化錫的自由載流子濃度抑制了電荷的復合,另一方面提高了電子遷移率進而增強了電荷的抽取能力。 進一步研究發現,鎂元素對二氧化錫的能級位置也有一定的影響,可以進一步減小界面的復合。 以鎂摻雜高溫二氧化錫作為電子傳輸層制備的鈣鈦礦電池,最終實現了14.55%的穩態輸出效率。

該成果以《基于高溫二氧化錫的平面鈣鈦礦太陽能電池的性能增強的電學性能與機制探究》 “Performance enhancement of high temperature SnO2-based planar perovskite solar cells:electrical characterization and mechanism understanding”為題發表在國際著名期刊《材料化學雜志》(Journal of Materials Chemistry A)論文第一署名單位是武漢大學,第一作者是物理科學與技術學院博士后熊良斌。

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