關(guān)于富溴籽晶誘導(dǎo)法助力提升高效鈣鈦礦太陽(yáng)能電池長(zhǎng)期穩(wěn)定性的研究
有機(jī)無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦以其光吸收系數(shù)高、載流子擴(kuò)散距離長(zhǎng)、制備方法簡(jiǎn)單、帶隙連續(xù)可調(diào)等特性,被廣泛認(rèn)為是發(fā)展下一代光伏器件的理想材料。自2009年以來(lái),僅僅歷經(jīng)10年的發(fā)展時(shí)間,鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)達(dá)到25.2%,發(fā)展速度為各類太陽(yáng)能電池之最。但是,由于鈣鈦礦太陽(yáng)能電池當(dāng)前面臨的熱穩(wěn)定性、長(zhǎng)時(shí)間工作穩(wěn)定性等問(wèn)題,嚴(yán)重阻礙了其商業(yè)化應(yīng)用發(fā)展。針對(duì)此問(wèn)題,北京大學(xué)物理學(xué)院趙清教授課題組利用材料工程方法,設(shè)計(jì)提出了富溴鈣鈦礦籽晶誘導(dǎo)生長(zhǎng)兩步法,實(shí)現(xiàn)了鈣鈦礦薄膜中溴離子的高效摻雜,有效提高了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的長(zhǎng)時(shí)間工作穩(wěn)定性。 通過(guò)在碘化鉛薄膜中引入微米級(jí)富溴鈣鈦礦籽晶,一方面提供后續(xù)鈣鈦礦生長(zhǎng)所需的成核位點(diǎn)、誘導(dǎo)薄膜生長(zhǎng)、提高薄膜生長(zhǎng)質(zhì)量,另一方面為鈣鈦礦生長(zhǎng)提供充足的溴元素,解決兩步法中溴離子難以有效摻雜的問(wèn)題。通過(guò)改變鈣鈦礦籽晶的添加量,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鈣鈦礦成核、晶粒大小、缺陷態(tài)密度等的精確調(diào)控,實(shí)現(xiàn)對(duì)最終鈣鈦礦成分與帶隙的精準(zhǔn)控制。測(cè)試表明,利用富溴鈣鈦礦籽晶誘導(dǎo)生長(zhǎng)兩步旋涂法制備得到的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件,其能量轉(zhuǎn)化效率可以達(dá)到21.5%;更為重要的是,其長(zhǎng)時(shí)間工作穩(wěn)定性得到了顯著提高,在AM1.5G太陽(yáng)光下持續(xù)工作500小時(shí)后,仍然能保持超過(guò)80%的初始效率。這一成果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)兩步法僅有的數(shù)小時(shí)穩(wěn)定性。該研究表明,溴元素對(duì)鈣鈦礦材料長(zhǎng)時(shí)間工作穩(wěn)定性具有至關(guān)重要的作用,同時(shí),提供了一條簡(jiǎn)單、高效、穩(wěn)定的基于鈣鈦礦兩步法的溴摻雜方法。此研究將為鈣鈦礦領(lǐng)域內(nèi)鹵素離子的均勻高效摻入、器件長(zhǎng)時(shí)間工作穩(wěn)定性的提高等問(wèn)題提供了新的思路。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表于Advanced Energy Materials 9, 1902239 (2019),并被選為當(dāng)期封底圖片。北京大學(xué)博士生李琪為該研究論文的第一作者,趙清教授為通訊作者。以上研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、北京大學(xué)人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、北京大學(xué)納光電子前沿科學(xué)中心、量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心等單位的支持。
北京大學(xué)
2021-04-11