目前，有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)達(dá)到22.7%，超過(guò)了商業(yè)化的晶硅太陽(yáng)能電池。但是由于鈣鈦礦材料在大氣環(huán)境中難以長(zhǎng)期穩(wěn)定，仍是限制其工業(yè)化的致命弱點(diǎn)。鈣鈦礦多晶膜的缺陷多存在于薄膜的表面和相鄰晶粒間的晶界中，載流子的復(fù)合與材料降解活躍在這些區(qū)域，嚴(yán)重制約了器件的穩(wěn)定性與效率。目前多通過(guò)表面鈍化的策略隔絕材料與水氧接觸。然而，目前報(bào)道的表面鈍化材料以高分子聚合物居多，這些聚合物的選擇往往是隨機(jī)的。隨機(jī)的聚合物摻雜到鈣鈦礦薄膜中，阻礙了載流子的傳輸，從而部分犧牲了材料優(yōu)良的光電性能。

成果簡(jiǎn)介

近日，Chem上刊登了題為：“ContinuousGrain-BoundaryFunctionalizationforHigh-EfficiencyPerovskiteSolarCellswithExceptionalStability”的文章。文章的通訊作者為美國(guó)布朗大學(xué)的NItin.P.Padture教授和YuanyuanZhou教授以及中科院青島生物能源與過(guò)程研究所的逄淑平研究員。文章的第一作者為布朗大學(xué)訪(fǎng)問(wèn)博士生宗迎夏。

本文亮點(diǎn)

研究者們通過(guò)分析分子間的相互作用，選取了具有“親水-疏水-親水”對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的三嵌段共聚物PluronicP-123加入到前驅(qū)體溶液中，調(diào)控鈣鈦礦多晶膜的結(jié)晶行為，獲得極為平整而又致密的MAPbI3鈣鈦礦薄膜。同時(shí)，這種三嵌段共聚物在晶界處形成連續(xù)且厚度可調(diào)節(jié)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，鈍化了晶界，有效的提升了器件的光電轉(zhuǎn)化效率和對(duì)環(huán)境的耐受力。通過(guò)這種對(duì)于晶界修飾的鈣鈦礦薄膜器件光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)到19.4%，在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光模擬光源下持續(xù)光照480h，仍能保持92%的效率。同時(shí)，這種晶界被修飾過(guò)的薄膜顯示出優(yōu)異的濕度穩(wěn)定性，光照穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。

圖文導(dǎo)讀

圖一.三嵌段共聚物修飾晶界的示意圖與結(jié)構(gòu)模型

A三嵌段共聚物在MAPbI3薄膜內(nèi)沿晶界形成鈍化網(wǎng)絡(luò)的示意圖

B三嵌段聚合物與鈣鈦礦分子間的氫鍵作用

C計(jì)算鈣鈦礦分子與三嵌段聚合物之間的作用能的計(jì)算模型示意圖

圖二.三嵌段聚合物最優(yōu)摻雜量（0.5%wt）的材料表征圖

A三嵌段聚合物最優(yōu)摻雜量（0.5%wt）的鈣鈦礦薄膜的XRD圖譜

B三嵌段聚合物最優(yōu)摻雜量（0.5%wt）FTIR圖譜

C三嵌段聚合物最優(yōu)摻雜量（0.5%wt）的鈣鈦礦薄膜SEM圖像

D三嵌段聚合物最優(yōu)摻雜量（0.5%wt）的鈣鈦礦薄膜AFM圖像

圖三.摻雜不同量三嵌段聚合物的鈣鈦礦薄膜的TEM表征圖

A最優(yōu)摻雜量（0.5%wt）的鈣鈦礦薄膜的低倍數(shù)TEM圖像

B-D不同摻雜量（0wt%，0.5%wt,1.0%wt,10%wt）的鈣鈦礦薄膜的高倍數(shù)TEM圖像

E最優(yōu)摻雜量（0.5%wt）的鈣鈦礦薄膜中氧元素的電子能量損失譜

圖四.摻雜最優(yōu)量的三嵌段共聚物的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)及表征

A最優(yōu)摻雜量的三嵌段共聚物鈣鈦礦電池的橫截面SEM圖像

B不同三嵌段共聚物摻雜量電池器件的J-V曲線(xiàn)

C最優(yōu)摻雜量的三嵌段共聚物鈣鈦礦電池器件的J-V曲線(xiàn)

D最優(yōu)摻雜量的三嵌段共聚物鈣鈦礦電池器件的EQE及積分電流

圖五.摻雜最優(yōu)量三嵌段共聚物的鈣鈦礦薄膜的穩(wěn)定性測(cè)試(無(wú)摻雜的鈣鈦礦薄膜為空白樣)

A濕穩(wěn)測(cè)試：70%RH

B熱穩(wěn)測(cè)試：100℃

C光穩(wěn)測(cè)試：一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)

D摻雜0.5%wt的P123MAPbI3太陽(yáng)能電池在模擬一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光照下480h的效率統(tǒng)計(jì)圖

小結(jié)

研究者們理性地選擇了具有“親水-疏水-親水”對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的三嵌段共聚物PluronicP-123摻雜到MAPbI3鈣鈦礦前驅(qū)體溶液中，調(diào)控成膜過(guò)程，獲得極為平整致密的鈣鈦礦多晶薄膜。同時(shí)聚合物沿著多晶膜的晶界形成連續(xù)的鈍化網(wǎng)絡(luò)，且隨著晶界修飾后的鈣鈦礦薄膜顯示出優(yōu)異的環(huán)境耐受力。這項(xiàng)研究進(jìn)一步推進(jìn)了晶界功能化修飾對(duì)于提高鈣鈦礦材料及器件穩(wěn)定性的研究進(jìn)程，對(duì)于未來(lái)制造低成本、高光電轉(zhuǎn)化效率和室外環(huán)境穩(wěn)定的光伏器件提供了新的思路。

本文摘自：中國(guó)測(cè)控網(wǎng)