暨南大學麥耀華團隊Adv. Energy Mater.：具有熱力學自修復功能的1D-3D鈣鈦礦太陽電池

引言

?近年來，有機無機雜化鈣鈦礦太陽電池發展迅速，其光電轉換效率已經在短短幾年內已經達到了22.7%^[1-3]。但是該類電池在受熱條件下離子遷移誘導的效率穩定性降低等問題限制了其大規模產業化應用。

成果簡介

近日，暨南大學新能源技術研究院麥耀華教授團隊的論文“Thermodynamically Self-healing 1D-3D Hybrid Perovskite Solar Cells”在Advanced Energy Materials（AEM）雜志上發表。暨南大學范建東教授和碩士生馬云平為共同第一作者，李聞哲副研究員和麥耀華教授為文章共同通訊作者。

該研究得到廣東省高水平大學建設經費的資助，同時也得到國家自然科學基金委面上項目(51672111)、暨南大學科研培育與創新基金青年基金項目(21617341)的支持。

暨南大學新能源技術研究院是以國家“千人計劃”特聘專家麥耀華教授為學術帶頭人，為打造高水平新能源技術創新研發平臺而成立的研究團隊。新能源技術研究院以技術創新和人才培養為工作重心，通過面向產業化的前沿技術研發、科研成果轉化和創新型人才培養，推動學科建設和新能源產業的發展。目前，研究院有專職科研人員12名，擁有包括PECVD、濺射和SEM、XRD等大型材料與器件的制備與表征設備50余臺（套），主要開展高效率晶體硅太陽電池、化合物薄膜太陽電池、鈣鈦礦太陽電池、鋰電池和光伏系統等方向的研究。

本文亮點

該研究工作獲得了具有1D-3D復合鈣鈦礦結構的晶體薄膜，實現了器件熱力學自修復功能。在55%相對濕度的環境下85 ^oC老化15h，器件在25min內可以恢復到初始效率的95%以上，在5個老化循環后器件效率的保持率在90%以上。

圖文導讀

圖1.1D-3D鈣鈦礦薄膜成膜動力學研究

將1-(2-吡啶基)-1H-吡唑 (PZPY)與鈣鈦礦(Cs_0.04MA_0.16FA_0.8PbI_0.85Br_0.15)前驅體進行組裝，首先生成1D PbI₂-FAI-PZPY中間態和1D PbBr2-PZPY中間態。經過退火處理，最終獲得了具有1D PbI₂-FAI-PZPY和1D PbBr2-PZPY的1D-3D復合鈣鈦礦結構的晶體薄膜。

(a)單晶計算得到的PbBr2-PZPY 、PbI₂-FAI-PZPY的XRD以及1D-3D鈣鈦礦薄膜及其中間態的XRD

(b)PbI₂-FAI-PZPY向PbI₂-PZPY轉換的熱動力學過程

(c) PbBr₂-PZPY單晶結構示意圖

(d) PbI₂-PZPY單晶結構示意圖

圖2.鈣鈦礦薄膜異質結構研究

??? 通過HRTEM圖像分析，展示了1D-3D鈣鈦礦異質結構，并闡明了1D-3D鈣鈦礦自組裝原理圖。

(a)(100)面的PbBr₂-PZPY單晶結構示意圖

(b)(001)面的PbI₂-FAI-PZPY單晶結構示意圖

(c)1D-3D鈣鈦礦的HRTEM圖像與傅里葉變換圖像

(d)(e) 與圖(a)(b)對應的1D鈣鈦礦中的[PbX₆]^4- 八面體連接示意圖

(f) 1D-3D鈣鈦礦薄膜自組裝原理圖

圖3 鈣鈦礦薄膜缺陷態研究

? ?PZPY的引入在1D-3D鈣鈦礦異質界面處降低了薄膜的電子和空穴缺陷態密度。同時，耗盡區的增大加速了載流子的傳輸，減少了載流子的復合。

(a)(b) 暗態條件下的I-V曲線

(c) Mott–Schottky 圖

(d) 器件的V_OC衰減曲線

圖4 鈣鈦礦太陽電池光伏特性研究

? ?摻雜后的鈣鈦礦器件最優效率達到了18.1%，并實現了器件的熱力學自修復功能。在50%相對濕度的環境下85^oC老化15h，器件在25min內可以恢復到初始效率的95%以上，在5個老化循環后器件效率的保持率在90%以上。

(a)最優器件的J-V曲線與外量子效率和積分電流圖

(b)最優器件的穩定化效率輸出圖

(c)器件在85^oC溫度條件與55%相對濕度條件下的穩定性圖

(d)器件在85^oC溫度條件與55%相對濕度條件下的老化循環圖

展望

該研究工作將1-(2-吡啶基)-1H-吡唑 (PZPY)與鈣鈦礦(Cs_0.04MA_0.16FA_0.8PbI_0.85Br_0.15)前驅體進行組裝，原位生長獲得了具有1D-3D復合鈣鈦礦結構的晶體薄膜。對復合薄膜的生長機制以及異質界面結構進行了深入研究。由于1D鈣鈦礦中鏈狀[PbX₆]^4-（X為I或者Br）熱力學穩定性和結構柔韌性，因此，1D鈣鈦礦材料的引入，不僅降低而且可以封鎖3D鈣鈦礦中A位離子負面遷移的通道，抑制了鈣鈦礦因A位離子大范圍遷移所造成的不可逆降解，實現了器件的熱力學自修復功能。1D-3D復合鈣鈦礦太陽電池在55%相對濕度的環境下85 ^oC老化15h，器件在25min內可以恢復到初始效率的95%以上，在5個老化循環后器件效率的保持率在90%以上，穩定性相比傳統的3D鈣鈦礦電池有了大幅度的提高。該研究有效地提高了器件的熱穩定性，并為制備高效、穩定的鈣鈦礦太陽電池提供了新的思路和方法，有助于推進該技術的產業化進程。

參考文獻

[1] J. Burschka, N. Pellet, S.-J. Moon, R. Humphry-Baker, P. Gao, M. K. Nazeeruddin
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Seo, E. K. Kim, J. H. Noh and S. I. Seok, Science 2017, 356, 1376-1379.

[3] ?https://www.nrel.gov/pv/assets/images/efficiency-chart.png.

文章鏈接：Thermodynamically Self-Healing 1D–3D Hybrid Perovskite Solar Cells （Adv. Energy Mater.，2018，DOI：10.1002/aenm.201703421）

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