寧波材料所在全鈣鈦礦疊層太陽能電池研究方面取得進展

　　【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】有機金屬鹵化物鈣鈦礦因其優(yōu)異的吸光性能和電子性能受到廣泛關(guān)注，迄今為止其能量轉(zhuǎn)化效率(PCE)已提高到了26.1%以上。為了進一步打破單結(jié)電池的Shockley-Queisser(SQ)極限，研究人員開發(fā)了兩端(2T)全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池。全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池依賴于高性能錫鉛(Sn-Pb)鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)。除了已被充分研究的氧氧化問題外，與碘化物相關(guān)的缺陷以及由此產(chǎn)生的I2在光照下會帶來顯著的降解風(fēng)險，導(dǎo)致Sn2+氧化為Sn4+。
 

　　為實現(xiàn)高效的疊層電池，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所葛子義研究員和劉暢研究員等人在前期鈣鈦礦太陽能電池研究的基礎(chǔ)上(Joule. 2024, DOI:10.1016/j.joule.2024.01.021; Adv. Mater. 2024, 36, 2309998; Adv. Mater. 2023, 2302752; Angew. Chem.Int. Ed. 2023, 135, e202217526; Adv. Funct. Mater. 2023, 2214788; Adv. Funct. Mater. 2023, 2210600；Infomat 2022, e12379; Nano Energy 2022, 93, 106800；Energy Environ. Sci. 2022, 15, 3630；Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2101416)，近期在解耦全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池中Sn-Pb鈣鈦礦光氧誘導(dǎo)降解機制研究中取得了重要進展。
 

　　團隊在本研究中加入了不同極性的苯肼陽離子添加劑。這些添加劑與錫(Sn)形成強大的配位鍵，增強了Sn- I鍵的強度，與本征帶電缺陷(如空位和間隙(VSn, VFA, ISn, Ii-))形成靜電相互作用。協(xié)同效應(yīng)抑制了光誘導(dǎo)I2的形成和隨后的Sn-Pb鈣鈦礦氧化，解決了窄帶隙(NBG)PSCs在連續(xù)光照下的穩(wěn)定性問題。為了進一步增強其在空氣中的穩(wěn)定性，研究人員引入了2-巰基苯并咪唑(MBI)，可以抑制來自環(huán)境空氣的降解途徑。最終單結(jié)NBG電池的PCE達到了23.0%。此外，耐久性測試證實，改良的電池在運行400小時后仍保持其初始效率的89.4%以上，具有出色的長期穩(wěn)定性。團隊集成了2T單片全鈣鈦礦串聯(lián)電池，實現(xiàn)了27.9%的PCE(27.2%的認證效率)。該串聯(lián)裝置在300小時后保持了90.3%的初始PCE，在2400小時的長期測試后保持90.7%。該研究不僅促進了科研人員對Sn-Pb鈣鈦礦降解機制的基本理解，而且為開發(fā)更具彈性的串聯(lián)太陽能電池提供了實用途徑。
 

　　該工作以“Decoupling light- and oxygen-induced degradation mechanisms of Sn–Pb perovskites in all perovskite tandem solar cells”為題發(fā)表于材料領(lǐng)域頂級期刊Energy &Environmental Science(DOI: 10.1039/d4ee02427c)。寧波材料所碩士生白楊、寧波材料所和寧波諾丁漢大學(xué)聯(lián)培博士生田睿佳和寧波材料所碩士生孫可軒為該論文的共同第一作者，寧波材料所葛子義研究員和劉暢研究員為該論文的通訊作者。
 

　　上述工作得到了國家杰出青年科學(xué)基金(21925506)、國家自然科學(xué)基金(U21A20331、81903743、22279151、22275004)等項目資助。(光電信息材料與器件實驗室 白楊)
 

　　圖1(a)苯肼體系添加劑的作用機制；(b)全鈣鈦礦疊層太陽能電池器件效率及其結(jié)構(gòu)圖