目前，有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池的光電轉化效率已經(jīng)達到22.7%，超過了商業(yè)化的晶硅太陽能電池。但是由于鈣鈦礦材料在大氣環(huán)境中難以長期穩(wěn)定，仍是限制其工業(yè)化的致命弱點。鈣鈦礦多晶膜的缺陷多存在于薄膜的表面和相鄰晶粒間的晶界中，載流子的復合與材料降解活躍在這些區(qū)域，嚴重制約了器件的穩(wěn)定性與效率。目前多通過表面鈍化的策略隔絕材料與水氧接觸。然而，目前報道的表面鈍化材料以高分子聚合物居多，這些聚合物的選擇往往是隨機的。隨機的聚合物摻雜到鈣鈦礦薄膜中，阻礙了載流子的傳輸，從而部分犧牲了材料優(yōu)良的光電性能。

成果簡介

近日，Chem上刊登了題為：“ContinuousGrain-BoundaryFunctionalizationforHigh-EfficiencyPerovskiteSolarCellswithExceptionalStability”的文章。文章的通訊作者為美國布朗大學的NItin.P.Padture教授和YuanyuanZhou教授以及中科院青島生物能源與過程研究所的逄淑平研究員。文章的第一作者為布朗大學訪問博士生宗迎夏。

本文亮點

研究者們通過分析分子間的相互作用，選取了具有“親水-疏水-親水”對稱結構的三嵌段共聚物PluronicP-123加入到前驅體溶液中，調(diào)控鈣鈦礦多晶膜的結晶行為，獲得極為平整而又致密的MAPbI3鈣鈦礦薄膜。同時，這種三嵌段共聚物在晶界處形成連續(xù)且厚度可調(diào)節(jié)的網(wǎng)狀結構，鈍化了晶界，有效的提升了器件的光電轉化效率和對環(huán)境的耐受力。通過這種對于晶界修飾的鈣鈦礦薄膜器件光電轉化效率達到19.4%，在一個標準太陽光模擬光源下持續(xù)光照480h，仍能保持92%的效率。同時，這種晶界被修飾過的薄膜顯示出優(yōu)異的濕度穩(wěn)定性，光照穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。

圖文導讀

圖一.三嵌段共聚物修飾晶界的示意圖與結構模型

A三嵌段共聚物在MAPbI3薄膜內(nèi)沿晶界形成鈍化網(wǎng)絡的示意圖

B三嵌段聚合物與鈣鈦礦分子間的氫鍵作用

C計算鈣鈦礦分子與三嵌段聚合物之間的作用能的計算模型示意圖

圖二.三嵌段聚合物最優(yōu)摻雜量（0.5%wt）的材料表征圖

A三嵌段聚合物最優(yōu)摻雜量（0.5%wt）的鈣鈦礦薄膜的XRD圖譜

B三嵌段聚合物最優(yōu)摻雜量（0.5%wt）FTIR圖譜

C三嵌段聚合物最優(yōu)摻雜量（0.5%wt）的鈣鈦礦薄膜SEM圖像

D三嵌段聚合物最優(yōu)摻雜量（0.5%wt）的鈣鈦礦薄膜AFM圖像

圖三.摻雜不同量三嵌段聚合物的鈣鈦礦薄膜的TEM表征圖

A最優(yōu)摻雜量（0.5%wt）的鈣鈦礦薄膜的低倍數(shù)TEM圖像

B-D不同摻雜量（0wt%，0.5%wt,1.0%wt,10%wt）的鈣鈦礦薄膜的高倍數(shù)TEM圖像

E最優(yōu)摻雜量（0.5%wt）的鈣鈦礦薄膜中氧元素的電子能量損失譜

圖四.摻雜最優(yōu)量的三嵌段共聚物的鈣鈦礦太陽能電池的結構及表征

A最優(yōu)摻雜量的三嵌段共聚物鈣鈦礦電池的橫截面SEM圖像

B不同三嵌段共聚物摻雜量電池器件的J-V曲線

C最優(yōu)摻雜量的三嵌段共聚物鈣鈦礦電池器件的J-V曲線

D最優(yōu)摻雜量的三嵌段共聚物鈣鈦礦電池器件的EQE及積分電流

圖五.摻雜最優(yōu)量三嵌段共聚物的鈣鈦礦薄膜的穩(wěn)定性測試(無摻雜的鈣鈦礦薄膜為空白樣)

A濕穩(wěn)測試：70%RH

B熱穩(wěn)測試：100℃

C光穩(wěn)測試：一個標準太陽

D摻雜0.5%wt的P123MAPbI3太陽能電池在模擬一個標準太陽光照下480h的效率統(tǒng)計圖

小結

研究者們理性地選擇了具有“親水-疏水-親水”對稱結構的三嵌段共聚物PluronicP-123摻雜到MAPbI3鈣鈦礦前驅體溶液中，調(diào)控成膜過程，獲得極為平整致密的鈣鈦礦多晶薄膜。同時聚合物沿著多晶膜的晶界形成連續(xù)的鈍化網(wǎng)絡，且隨著晶界修飾后的鈣鈦礦薄膜顯示出優(yōu)異的環(huán)境耐受力。這項研究進一步推進了晶界功能化修飾對于提高鈣鈦礦材料及器件穩(wěn)定性的研究進程，對于未來制造低成本、高光電轉化效率和室外環(huán)境穩(wěn)定的光伏器件提供了新的思路。

本文摘自：中國測控網(wǎng)