Solar RRL: 高效率鈣鈦礦電池的綠色反溶劑制備

【引言】

開發利用可再生清潔能源是解決未來世界能源、環境等問題的有效手段。制備高效率、低成本、環保安全的太陽電池以實現太陽能的高效利用始終是能源領域中極具挑戰的難題之一。近年來，半導體性質優異的有機-無機雜化鈣鈦礦材料的出現對太陽電池領域的發展起到了巨大地推動作用。高質量鈣鈦礦材料的薄膜制備是獲得高轉化效率鈣鈦礦電池的關鍵。反溶劑輔助結晶（Anti-solvent assisted crystallization）是一種簡單、有效獲得高質量鈣鈦礦薄膜的制備工藝。不過，目前常用的反溶劑主要是甲苯、氯苯、二氯甲烷等高毒性溶劑，不利于該方法的大規模應用。因此,開發綠色環保的新型反溶劑制備工藝對其未來的商業化應用顯得尤為必要。

【成果簡介】

近日，中國工程物理研究院化工材料研究所鄭霄家副研究員、張文華研究員與常州大學合作，在使用綠色反溶劑制備高質量鈣鈦礦薄膜材料方面取得進展，相關研究成果發表在《Solar RRL》上（DOI: 10.1002/solr.201700213）。期刊編輯對該文章給予高度評價，并撰寫了題為“Production of High Efficiency Solar Cells Goes Green”的亮點性評論，該評論已經在線發表在Advanced Science News網站上（https://www.advancedsciencenews.com/production-high-efficiency-solar-cells-goes-green/）。

【圖文導讀】

（注：以下所有的插圖均來自文后文獻）

圖一 鈣鈦礦薄膜制備流程及基本性質表征

(a) 反溶劑法制備鈣鈦礦薄膜流程圖；
(b) XRD結果表明苯甲醚反溶劑與氯苯反溶劑得到結晶類似的薄膜；
(c)紫外可見吸收表明鈣鈦礦薄膜的光吸收性質類似。

圖二 鈣鈦礦薄膜的微觀形貌

(a)氯苯反溶劑和（b）苯甲醚反溶劑所制備鈣鈦礦薄膜的AFM形貌圖。AFM結果表明苯甲醚反溶劑可以得到表面更為平整的鈣鈦礦薄膜（氯苯反溶劑所制備鈣鈦礦薄膜的Rq為22.2 nm，苯甲醚反溶劑所制備鈣鈦礦薄膜的Rq為16.3 nm）；
(c) 氯苯反溶劑和（d）苯甲醚反溶劑所制備鈣鈦礦薄膜的SEM形貌圖。SEM結果表明苯甲醚反溶劑可獲得晶粒尺寸更大的鈣鈦礦薄膜。

圖三 載流子壽命表征

時間分辨熒光表明苯甲醚反溶劑制備的鈣鈦礦薄膜具有更長的載流子壽命，且處于文獻報道的較高水平。

圖四 電池器件性能

（a）鈣鈦礦電池截面圖；
（b）基于苯甲醚反溶劑制備的鈣鈦礦電池獲得了正掃17.79 %，反掃19.42 %的轉化效率，優于氯苯反溶劑制備的鈣鈦礦電池（正掃17.02 %，反掃19.09 %）；
（c）苯甲醚反溶劑制備的鈣鈦礦電池穩定輸出效率為19.08 %，且（d）IPCE在較寬的光譜范圍內超過80 %。

圖五 電池效率統計分布

（a）開路電壓、（b）短路電流密度、（c）填充因子和（d）轉化效率的統計分布。

苯甲醚制備的鈣鈦礦電池開路電壓以及填充因子較高，歸結于苯甲醚反溶劑所制備的鈣鈦礦薄膜具有較大的晶粒（減少晶界），利于載流子在鈣鈦礦薄膜內部的傳輸并從一定程度上抑制載流子的復合（暗態及光照下的阻抗譜表征，Figure S6）。

【本文亮點】

本工作使用茴香醚綠色溶劑代替氯苯有毒溶劑作為反溶劑制備高質量鈣鈦礦薄膜，并詳細研究了不同反溶劑對鈣鈦礦薄膜質量的影響。相對于氯苯反溶劑，茴香醚可以有效增加鈣鈦礦薄膜的晶粒大小，并大大降低其表面粗糙度，進而獲得了光生載流子傳輸更加通暢、復合速率更低、壽命更長的鈣鈦礦薄膜。在水熱生長的TiO₂電子傳輸材料上制備出的平面型鈣鈦礦電池取得了19.42%的轉換效率（穩定輸出效率19.08%），與氯苯反溶劑制備的鈣鈦礦電池性能相當（轉化效率19.09%，穩定輸出效率18.47%）。

【小結】

該研究為制備高質量鈣鈦礦薄膜提供了一條綠色環保的新途徑，可以有效降低科研人員的健康安全風險，并解決鈣鈦礦材料制備過程中所使用的有毒反溶劑對環境造成的污染問題。上述工作得到了得到國家自然科學基金面上項目、四川省重點研究計劃、中物院化材所授權基金等項目的資助。

文獻鏈接：Green Anti-Solvent Processed Planar Perovskite Solar Cells with Efficiency Beyond 19%?(Solar RRL, 2018, DOI:?10.1002/solr.201700213)

Advanced Science News報道鏈接：Production of High Efficiency Solar Cells Goes Green

以上資料來自中物院化材所新材料中心-張文華團隊，特此感謝！

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