南昌大學陳義旺和談利承教授構建自主縱向有機支架控制鈣鈦礦晶粒生長和穩定性

有機無機雜化鈣鈦礦作為發展最快、最有前途的下一代薄膜類光伏候選材料,已經在全球光伏領域引發瞭極大的研究熱潮。

自2009年鈣鈦礦作為吸光材料應用於太陽能電池以來,功率轉換效率不斷取得突破,已從最初的3.8%提高到25.2%,與單晶矽電池相當。

然而,除瞭優異的光電性能,真正限制鈣鈦礦太陽電池(PVSCs)戶外應用的重要因素還包括鉛離子的毒性,鈣鈦礦成膜的不可控制性,不理想的器件穩定性,以及反溶劑工藝和鈣鈦礦脆性等限制下實現大面積可穿戴電池的巨大難度。

南昌大學陳義旺教授及談利承教授研究團隊針對鈣鈦礦太陽電池離子遷移和水氧侵蝕導致穩定性問題,提出“穿針引線”策略全面提高鈣鈦礦太陽電池穩定性和耐彎折性。提出瞭碳納米管和含氟半導體以及AIE分子填補鈣鈦礦太陽電池晶界缺陷,抑制瞭離子遷移和實現晶界鏈接,大幅提高器件穩定性 (Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1900198, Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1808059, Chem. Commun. 2016, 52, 5674)。

提出瞭彈性體修復鈣鈦礦晶界缺陷,賦予活性層耐彎折性 (Adv. Funct. Mater. 2017, 27, 1703061)。通過貽貝仿生交聯氧化物納米晶克服瞭無機界面層固有的脆性,原子層層沉積方法制備高致密無機界面層,提高鈣鈦礦太陽電池的穩定性(Adv. Mater. 2017, 29, 1606656, Chem. Commun. 2019, 55, 3666, Chem. Commun. 2018, 54, 471)。

提出瞭自密性高分子封裝鈣鈦礦界面層,阻止瞭水氧對鈣鈦礦層的侵蝕,引入EVA膠合界面層,有效地改善鈦礦太陽電池的長期穩定性、阻水性以及彎曲耐久性,從而制備出剛性和柔性的25 cm2太陽能模塊(Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1902629)。

采用含氟增強劑摻雜的PEDOT:PSS透明電極,同時滿足高電導率、高透光率以及良好的機械柔韌性,制備柔性鈣鈦礦太陽電池模組 (Joule 2019, 3, 2205-2218),並通過少量PU與PbI2形成穩定墨水,很好控制瞭二步法刮塗工藝,制備高效穩定大面積鈣鈦礦太陽電池模組(J. Phys. Chem. C 2020, 10.1021/acs.jpcc.0c00908)。

成熟的大面積鈣鈦礦薄膜制備技術始終是限制PVSCs商業化的關鍵因素,雖然能夠衍生為卷對卷印刷等大規模制備工藝的順序沉積法已經被證明是獲得高性能PVSCs的有效策略,但由Grätzel教授開創的傳統兩步法僅適用於介孔結構器件,而二氧化鈦的高溫燒結工藝又限制瞭它在柔性設備中的應用。

另一方面,在平面PVSCs中,致密的碘化鉛(PbI2)薄膜會嚴重抑制碘化甲基銨(MAI)溶液的滲透,進而導致鈣鈦礦的不完全轉變。

大多數鈣鈦礦也隻能停留在相變初期,就會在離心力作用下從基材表面甩出,導致溶液利用率低下。而目前的大部分研究隻是局限於減少鈣鈦礦中未反應的PbI2殘留,例如優化沉積因子,調節鈣鈦礦的形成途徑和碘化鉛薄膜形貌,卻幾乎沒人關註鈣鈦礦溶液的利用率問題。

南昌大學陳義旺和談利承教授構建自主縱向有機支架控制鈣鈦礦晶粒生長和穩定性
圖1 自聚合甲基丙烯酸甲酯(sMMA)的作用機理

近日,南昌大學陳義旺教授和談利承教授團隊開發瞭一種通過在碘化鉛中散佈原位自聚合甲基丙烯酸甲酯(sMMA)構建的新型自主縱向支架,該支架可以將鈣鈦礦溶液限制在有機網絡內,並提供更高效的成核位點以促進晶體沿支架縱向生長。此外,sMMA低聚物能夠在鈣鈦礦薄膜退火過程中進一步聚合並填充鈣鈦礦晶界,以形成能夠鈍化缺陷,釋放機械應力,抑制離子遷移和水/氧滲透的交聯網絡。最終,基於sMMA修飾的MAPbI3作為光吸收層的平面PVSCs顯示出優異的光電轉換效率(20.12%)和出色的操作穩定性,且滯後效應可忽略不計。更重要的是,相應的柔性設備在耐受5000次循環彎曲後仍能保持初始效率的72%以上。研究者相信,該進展為柔性電子領域中大面積PVSCs的商業化開發開辟瞭一條新的途徑。

相關本論文發表在Advanced Materials (Adv. Mater. 2020, DOI: 10.1002/adma.202000617)上,題為“Controlling Crystal Growth via Autonomously Longitudinal Scaffold for Planar Perovskite Solar Cells”。本文通訊作者為南昌大學陳義旺教授和談利承教授。第一作者為南昌大學碩士研究生段曉鵬,共同第一作者為南昌大學碩士研究生李想。

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