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交匯點(diǎn)訊 鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池由于其低成本溶劑加工、制備工藝簡(jiǎn)單和能量轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)勢(shì)已成為新型光伏領(lǐng)域最強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)者。但是，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的商業(yè)化依然面臨著濕、熱、光等穩(wěn)定性問(wèn)題。

中國(guó)科學(xué)院黃維院士帶領(lǐng)的南京工業(yè)大學(xué)秦天石王芳芳研究團(tuán)隊(duì)使用多種原位表征技術(shù)，解析了鈣鈦礦薄膜在旋涂和退火過(guò)程中的中間相、成核和結(jié)晶過(guò)程，并成功設(shè)計(jì)合成了一種多功能氟取代分子作為添加劑，該添加劑可以誘導(dǎo)鈣鈦礦薄膜形成更加有序的結(jié)晶，進(jìn)而獲得了高效、穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件性能。成果近日發(fā)表在《自然·通訊》。

新型多功能氟取代添加劑設(shè)計(jì)及鈣鈦礦薄膜結(jié)晶機(jī)制分析

據(jù)悉，基于混合離子的甲脒碘基鈣鈦礦太陽(yáng)能電池達(dá)到了25.7%的功率轉(zhuǎn)換效率。在鈣鈦礦中加入混合離子可以有效抑制光活性黑相(α-FAPbI3)轉(zhuǎn)變成非鈣鈦礦黃相(δ-FAPbI3)或者降解為碘化鉛，但少量的這些離子會(huì)影響相應(yīng)器件的穩(wěn)定性。已經(jīng)證明，混合離子鈣鈦礦在連續(xù)光照下會(huì)發(fā)生相偏析。揮發(fā)性陽(yáng)離子成分會(huì)引起鈣鈦礦薄膜中的針孔和殘留碘化鉛的形成，嚴(yán)重影響了在高溫或潮濕條件下的器件性能。

“通過(guò)多種原位表征技術(shù)，對(duì)鈣鈦礦薄膜在旋涂和退火過(guò)程中的中間相、成核和結(jié)晶過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)和深入研究，我們發(fā)現(xiàn)，造成混合離子鈣鈦礦困境的根本原因是，由于中間相誘導(dǎo)的多種成核途徑，導(dǎo)致其無(wú)法生長(zhǎng)成均勻的高結(jié)晶性薄膜?！?王芳芳副教授介紹，鈣鈦礦材料是太陽(yáng)能電池的吸光層（也叫光活性層），所以是黑色的，薄膜保持黑色才能保持光活性，才可以吸光發(fā)電，如果降解成黃色的碘化鉛，電池就不能工作了。鈣鈦礦薄膜是由鈣鈦礦晶體構(gòu)成的，鈣鈦礦薄膜中晶體排列越有序，缺陷就越少，被水或濕氣攻擊的位點(diǎn)就越少，所以越穩(wěn)定。

多種原位表征技術(shù)監(jiān)測(cè)鈣鈦礦薄膜在旋涂和退火過(guò)程中的中間相、成核和結(jié)晶過(guò)程

針對(duì)上述問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)成功設(shè)計(jì)合成了一種多功能氟取代分子作為添加劑，該添加劑可以抑制多中間相的生成，促進(jìn)定向結(jié)晶，誘導(dǎo)鈣鈦礦薄膜形成更加有序的結(jié)晶，進(jìn)而獲得了高效、穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件性能。 “我們?cè)O(shè)計(jì)合成的新型添加劑材料，制備的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池實(shí)現(xiàn)了高達(dá)24.10%的效率，并表現(xiàn)出了優(yōu)異的器件穩(wěn)定性，連續(xù)光照1000小時(shí)或在≈50%濕度的空氣環(huán)境中加速老化2000小時(shí)后，仍保持了其初始效率值的95%以上?！闭撐牡谝蛔髡?、碩士生李慕白說(shuō)，加了添加劑的鈣鈦礦薄膜，不僅能抗擊住空氣中的少量水分，甚至直接放到水中浸泡5分鐘以上仍不分解，而參比薄膜在1秒鐘之內(nèi)就分解掉了，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的新型材料極大地提高了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性。

這項(xiàng)工作有助于更深層次的理解混合離子鈣鈦礦制備過(guò)程中的結(jié)晶動(dòng)力學(xué)機(jī)制及調(diào)控方法，為新型鈣鈦礦添加劑的分子設(shè)計(jì)提供了重要見(jiàn)解。

據(jù)悉，研究團(tuán)隊(duì)一直致力于新型光電材料的開(kāi)發(fā)、鈣鈦礦基礎(chǔ)科學(xué)的探索和高效鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的制備領(lǐng)域。此研究成果再次在高效、穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破，為高效利用新能源資源拓展了新途徑。

通訊員 周偉

新華日?qǐng)?bào)·交匯點(diǎn)記者 謝詩(shī)涵

2023年2月22日《新華日?qǐng)?bào)·交匯點(diǎn)》：https://jnews.xhby.net/v3/waparticles/7fda002d5708436da67a57947ffc4b06/0/eG2BB6qwMxC7fbdd/1