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[转载]转载The Innovation:世界最高23.6%!中国科学家创造柔性钙钛矿太阳能电池效率!

已有 725 次阅读 2022-10-7 22:14 |系统分类:论文交流|文章来源:转载

本文转自期刊《The Innovation》(创新)

导 读

        效率和稳定性是决定钙钛矿太阳能电池未来大规模应用的关键,二者均与钙钛矿薄膜质量密切相关。本文通过设计多功能添加剂减少薄膜缺陷、缓释钙钛矿纳米晶的微应力,制备出高质量的钙钛矿薄膜,获得了效率分别为25.4%和23.6%的刚性和柔性钙钛矿电池, 经1万次弯折后柔性电池仍保持85%以上的初始效率

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                                                                                      图1 图文摘要


        柔性钙钛矿太阳能电池作为一种新兴的柔性光伏技术,成本低廉、可卷对卷制备、光电转换效率高,功率质量比明显优于其它柔性光伏技术。轻、薄、柔的特点使其在可穿戴设备、无人飞行器、光伏建筑一体化等领域具有广阔的应用前景。2013年以来,柔性钙钛矿太阳能电池的光电转换效率虽获得显著提升,但相比刚性基底的钙钛矿电池仍有很大提升空间。提升钙钛矿薄膜的质量,是进一步突破柔性器件光电转换效率的关键。

        本研究针对钙钛矿薄膜中存在的晶格缺陷和微应力问题,提出了一种多功能添加剂策略,即通过在钙钛矿前驱体中引入琥珀酸甲胺(MS)添加剂提升薄膜质量和电池器件的光电转换效率。扫描电镜、荧光光谱(PL)、荧光寿命(TRPL)等表征发现:琥珀酸盐添加剂的引入使钙钛矿薄膜的形貌改善、缺陷减少、PL和TRPL增强,其光电性能得到提升(图2)。

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图2 钙钛矿薄膜形貌与光电性质表征(A, B)对照组和实验组钙钛矿薄膜扫描电镜图像;(C)紫外可见光吸收光谱;(D)荧光光谱(PL);(E)荧光寿命(TRPL);(F)x射线衍射谱


        核磁共振测试发现,琥珀酸盐分子和钙钛矿晶格之间存在多种相互作用(图3)。琥珀酸根离子既可以和甲脒阳离子(FA+)之间形成氢键作用,又能和铅离子(Pb2+)之间配位;此外,琥珀酸盐中的甲胺阳离子(MA+)还能填充钙钛矿晶格中阳离子空位的缺陷。琥珀酸盐与钙钛矿间多种形式的相互作用,不仅有助于减少钙钛矿薄膜中的缺陷态密度,还可缓释钙钛矿晶格的微应力,从而提升薄膜质量

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图3 琥珀酸盐分子与钙钛矿之间的相互作用表征 (A)核磁共振氢谱;(B)核磁共振碳谱;(C,D)对照组与实验组钙钛矿薄膜微应力


        基于琥珀酸盐添加剂制备的钙钛矿太阳能电池光电转换效率达到25.4%,相比对照组有了明显提升(图4)。在此基础上,作者利用该方法制备出柔性钙钛矿太阳能电池(图5),光电转换效率高达23.6%(认证效率22.5%),这是迄今报道的最高效率柔性钙钛矿太阳能电池。基于该方法制备的1 cm2柔性电池实现了光电转换效率超过20%,表明了该方法的可扩展性。

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图4 刚性钙钛矿太阳能电池光伏性能 (A)对照组和实验组器件电流密度-电压(J-V)曲线;(B)稳态功率输出;(C)光电转换效率分布统计;(D)入射光子-电子转换效率(IPCE)曲线;(E)电致发光光谱与外量子效率曲线;(F)开路电压-光照强度关系


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图5 柔性钙钛矿太阳能电池光伏性能(A)柔性器件结构示意图;(B)对照组、实验组柔性器件J-V曲线;(C)IPCE 曲线;(D)对照组、实验组效率分布统计;(E)1 cm2器件J-V曲线


        琥珀酸盐添加剂不仅提升了器件光电性能,还增强了器件稳定性(图6)。含有琥珀酸盐添加剂的钙钛矿太阳能电池在湿度为~50%条件下,存储1500小时,效率仍可维持初始值的~85%(图6A);连续光照条件下,最大功率点跟踪500小时后,电池效率仍维持其初始值的80%,均明显优于对照组(图6B)。含有琥珀酸盐添加剂的柔性钙钛矿太阳能电池,在6 mm弯曲半径下连续弯折10000次,效率仍保持初始值的85%以上(图6C),展现出琥珀酸盐添加剂对薄膜中钙钛矿纳米晶的强化作用和对器件耐弯折性能的提升作用。

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图6 钙钛矿电池器件稳定性表征(A)湿度稳定性;(B)工作稳定性;(C)耐弯折性能(D、E、G、H)10000次弯折后对照组薄膜形貌;(F、I)10000次弯折后实验组薄膜形貌


总结与展望

        本研究通过引入琥珀酸盐小分子添加剂,有效减少了钙钛矿薄膜中的缺陷,缓释了钙钛矿薄膜微应力,制备出光电转换效率分别为25.4%和23.6% 的刚性和柔性钙钛矿太阳能电池,并提升了柔性器件的耐弯折性能。该研究工作为多功能分子钝化剂设计、钙钛矿薄膜微应力调控、钙钛矿太阳能电池效率和稳定性提升提供了新思路。

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原文链接:https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(22)00106-0

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第三卷第六期以Article发表的“Multifunctional succinate additive for flexible perovskite solar cells with more than 23% power-conversion efficiency” (投稿: 2022-06-09;接收: 2022-08-30;在线刊出: 2022-09-05)。


DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2022.100310


引用格式:Li M., Zhou J., Tan L., et al. (2022). Multifunctional succinate additive for flexible perovskite solar cells with more than 23% power-conversion efficiency. The Innovation. 3(6),100310.


作者简介


易陈谊,清华大学电机系副教授、博士生导师,入选国家海外高层次青年人才。研究方向主要为太阳能能量转换与储存,包括钙钛矿光伏发电材料与器件、储能材料与器件等。担任中国感光学会光电材料与器件专业委员会副主任、中国材料研究学会太阳能材料专业委员会委员、iEnergy期刊副主编、Energies编委。在Science、Nature子刊、Joule等学术期刊发表论文60余篇,被引用超过15000次。

www.eea.tsinghua.edu.cn/en/faculties/yicy.htm

www.x-mol.com/groups/Tsinghua-EEA-312lab?lang=en


期刊简介

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The Innovation是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊:向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现,鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。作者来自全球48个国家/地区;每期1/4-1/3通讯作者来自海外;已被108个国家/地区作者引用。目前有195位编委会成员,来自21个国家;50%编委来自海外;包含1位诺贝尔奖获得者,33位各国院士;领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ,ADS,Scopus,PubMed,ESCI,INSPEC等数据库收录。秉承“好文章,多宣传”理念,The Innovation在海内外各平台推广作者文章。


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