我国科学家在钙钛矿光伏稳定性研究方面取得重要进展
日期 2019-09-18  来源:数理科学部  作者:姜向伟 倪培根 陈刚 郭海中

       在国家自然科学基金项目(批准号:11574199,11674219,11834011)等资助下,上海交通大学材料科学与工程学院、金属基复合材料国家重点实验室的杨旭东教授和韩礼元教授等设计制备了具有稳固异质结结构的钙钛矿太阳能电池,通过在表面富铅钙钛矿薄膜上沉积氯化氧化石墨烯层,抑制了层-层离子移动对异质结结构和光电性能的破坏,有效提高了电池的耐久性。该成果以“Stabilizing Heterostructures of Soft Perovskite Semiconductors”(稳固钙钛矿软晶格半导体异质结)为题,于2019年8月发表在Science(《科学》)杂志上。文章链接:https://science.sciencemag.org/content/365/6454/687。

  钙钛矿太阳能电池作为新一代低成本太阳能电池,其光电转换效率已经快速提高至25%,在可再生能源领域具有巨大的应用前景,引发了国际上相关科技研究和产业发展的激烈竞争。但是,横亘在钙钛矿太阳能电池产业化道路上的最大阻碍—稳定性问题,一直难以攻克,成为当前国际科学研究领域的难点之一。

  半导体异质结是钙钛矿太阳能电池实现光生电荷分离和提取等光电转换的关键组成结构,通常由钙钛矿光吸收层、电荷传输层等半导体材料组成。然而,由于组分元素间的弱键合性质,钙钛矿的软晶格易于分解,造成钙钛矿电池异质结结构并不稳固:在工作条件下,由离子组成的钙钛矿受光照、电场、温度、水、氧等作用的影响会发生离子移动,从而产生大量结构缺陷;分解逃逸出来的离子还会与电荷传输层或者电极层相互作用,进一步破坏异质结分离和提取光生电荷的功能,导致整体器件效率显著降低,无法保持稳定的光电性能。因此,如何稳固钙钛矿太阳能电池中“柔弱”的异质结结构,保持光生电荷的有效分离和提取,成为解决钙钛矿太阳能电池稳定性难题的关键。

  围绕此问题,该研究团队设计制备了具有稳固异质结结构的钙钛矿太阳能电池。该异质结结构由表面富铅钙钛矿半导体薄膜和氯化氧化石墨烯薄膜构成,通过氯-铅键、氧-铅键的相互作用,将两层薄膜牢固地结合在一起。光学、电学等表征实验结果表明,该异质结结构光电性能稳定,钙钛矿半导体薄膜的分解和缺陷的产生显著减少,逃逸离子被有效阻挡,电荷传输层受到有效保护。在一个标准太阳光光强和60oC条件下连续工作1000小时的后,具有该异质结结构的钙钛矿太阳能电池仍然保有初始效率的90%,而且电池的稳态输出效率通过了国际公认电池测试机构-日本产业技术综合研究所(AIST)的认证。这也是该研究团队,继2017年在Nature期刊报道大面积钙钛矿太阳能电池组件研究成果(Nature, 2017, 550, 92)、在2015年Science期刊上报道高效率钙钛矿太阳能电池研究成果(Science,2015, 350, 944)之后的又一个重要进展。

  该研究团队所提出的构建结构稳固的钙钛矿半导体异质结的策略和方法,为解决钙钛矿太阳能电池稳定性难题、推进相关科学机理研究和提高技术水平提供了重要基础,对于未来低成本光伏发电、利用可再生能源缓解能源问题具有重要意义。

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图. 钙钛矿层组装示意图及结构表征。(A) 富铅钙钛矿薄膜制备过程;(B) 氯化氧化石墨烯覆盖于钙钛矿薄膜表面;(C,D,E) 异质结结构中氯-铅键,氧-铅键形成;(F,G,H) 稳定性表征:不同异质结结构,电荷传输层表面电势分布