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《陕西师范大学刘生忠教授团队在钙钛矿太阳能电池领域取得突破性成果》

  • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者： 冯瑞华
  • 发布时间：2018-05-16

  • 有机无机杂化钙钛矿太阳能电池因其卓越的光电性能、优异的载流子传输性能、理想的禁带宽度等受到广泛关注，但是在实际研究过程中由于有机离子的易挥发易分解等问题一直制约着其进一步发展。相比之下，全无机钙钛矿材料因其优异的稳定性成为研究者们新的关注热点。同时，在应用过程中如何通过可大面积、高通量的印刷工艺制备高效钙钛矿太阳电池仍是目前亟待解决的问题。且针对钙钛矿在成膜过程中的相转变对最终薄膜的晶体质量、形貌和相应器件的光伏性能所起着的作用，目前仍缺乏全面的认知。

    近日，材料科学与工程学院钙钛矿太阳能电池研究取得重要进展，“国家相关人才计划”专家刘生忠教授和靳志文博士团队在全无机钙钛矿太阳能电池的研究工作中取得重大突破，电池效率达到14.45%，是目前报道的无机钙钛矿太阳能电池的最高效率。

    前期工作中，该团队通过无机钙钛矿量子点调制太阳光中的紫外光或修饰有机-无机钙钛矿界面来提高器件的稳定性(ACS Energy Lett., 2017, 2, 1479-1486; J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 9514-9522; Adv. Mater. Interfaces, 2018, 5, 1701117; Adv. Energy Mater., 2018, 8, 1701757; Adv. Sci., 2018, 1800474)。

    近期，团队成员研究了无机钙钛矿的基本特性，并制备了基于无机CsPbI3的量子点太阳能电池，获得11.40%的效率并展现了优异的稳定性(Nanoscale, 2017, 9, 6278-6285; Part. Part. Syst. Charact., 2018, 35, 1700363; ACS Appl. Mater. Interfaces., 2018, 10, 7145-7154; Adv. Energy Mater., 2018, 1800007)。同时，该团队通过渐变维度尺寸异质结进行界面调控和锰离子掺杂调节晶粒尺寸来优化无机CsPbBrI2薄膜，制备的无机钙钛矿太阳能电池进一步达到了12.39%和13.47%的光电转换效率，这些都为当时报道的薄膜无机钙钛矿太阳能电池的最高效率(Adv. Energy Mater., 2018, 1703246; ACS Energy Lett., 2018, 3, 970-978)。但是由于CsPbI3量子点薄膜的传输电阻大，CsPbBrI2薄膜禁带宽度大等缺陷，大大限制了其器件的光电转换效率。因此，无机钙钛矿太阳能电池中，减少材料禁带宽度、降低材料相转变温度对器件效率的提高至关重要。

    正是基于这一需要，本工作中，该团队通过整合优化CsPbBrI2和CsPbI3QDs两个钙钛矿太阳能电池，并在表面用乙酸乙酯进行优化处理，成功地制备出CsPbI2+xBr1-x渐变带隙的无机钙钛矿太阳能电池。并对CsPbI2+xBr1-x渐变带隙的太阳能电池进行结构表征和性能测试。结果表明，CsPbI2+xBr1-x渐变带隙的钙钛矿太阳能电池有合适的带隙和薄膜厚度，增大了光的吸收，钝化了表面，减少了表面复合，最终得到的器件光电转换效率为14.4%。这是目前已知的无机钙钛矿太阳能电池的最高效率。上述研究以“Graded Bandgap CsPbI2+xBr1-xPerovskite Solar Cells with a Stabilized Efficiency of 14.4%”为题发表于Cell Press旗下的能源领域材料类顶级期刊Joule上。刘生忠教授和靳志文博士为共同通讯作者，硕士研究生边慧和白东良为共同第一作者。

    同时，刘生忠教授团队在有机无机钙钛矿太阳能电池研究方向也取得重要进展，制备得到了高质量MAPbI3薄膜，在0.09 cm2的小面积电池器件中获得了18.74％的光电转换效率，并在1 cm2的大面积器件中获得了17.06％的效率。

    此工作中，刘生忠教授和赵奎博士团队通过实时追踪钙钛矿在不同成膜条件下的相转变和晶体生长过程，发现在旋涂或刮涂制备过程中，通过热基底诱导快速去除溶剂的方法都可有效地抑制钙钛矿中间相的出现，从而制备出具有高结晶质量的大晶粒钙钛矿薄膜。同时，研究还揭示了钙钛矿薄膜从无序前驱体溶胶-凝胶相到钙钛矿相的相转变过程对薄膜质量、光物理性质和器件光伏性能所起到重要的影响。在此理论的指导下，最终在空气中刮涂制备得到的高质量MAPbI3薄膜，在0.09 cm2的小面积电池器件中获得了18.74％的光电转换效率，并在1 cm2的大面积器件中获得了17.06％的效率，这些刮涂器件效率处于同领域世界最高水平。该研究成果为钙钛矿制备向印刷法转移提供了重要的理论支持，将进一步推动钙钛矿太阳电池走向大面积商业化的应用。相关成果以“Phase transition control for high-performance blade-coated perovskite solar cells”为题发表于Cell Press旗下的能源领域材料类顶级期刊Joule上。刘生忠教授，赵奎博士与阿卜杜拉国王科技大学Aram Amassian教授为共同通讯作者，硕士生李剑波、樊园园和博士Rahim Munir为共同第一作者。

  • 原文来源：http://www.xincailiao.com/news/news_detail.aspx?id=184892
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