《钙钛矿溶液老化:科学家找到解决办法》

  • 来源专题:可再生能源
  • 编译者: pengh
  • 发布时间:2020-03-20
  • 钙钛矿太阳能电池在过去十年发展迅速。但是和硅太阳能电池一样,钙钛矿太阳能电池的效率很大程度上取决于钙钛矿层的质量,这与它的结晶度有关。

    遗憾的是,用于制造太阳能电池的钙钛矿溶液的老化过程使溶液不稳定,从而导致设备的效率和再现性较差。反应物和制备条件也是造成质量差的原因。

    为了解决这些问题,中国科学院青岛生物能源与生物处理技术研究所(QIBEBT)的一个研究小组对钙钛矿溶液的老化过程提出了新的认识,并找到了避免副作用的方法。这项研究发表在3月17日的《化学》杂志上,题为“钙钛矿溶液老化:发生了什么?如何抑制?””。

    该论文的通讯作者庞树平教授表示,尽管钙钛矿太阳能电池的研究已经进行了10年,但“对基础溶液化学的深入了解”并没有跟上其效率的迅速提高。

    庞教授说:“通常情况下,我们需要高温和长时间才能完全溶解反应物,但一些副反应可能同时发生。”“幸运的是,我们找到了一种抑制它们的方法。”

    庞教授说,获得一种高度稳定的钙钛矿溶液对商业化钙钛矿太阳能电池尤其重要,因为它将更容易制造出高稳定性的设备。

    齐贝丁大学副教授、论文第一作者王晓表示,当碘化甲铵和碘化甲酰胺共存时,会发生侧缩合反应。它们代表了老化钙钛矿溶液中的主要副反应,尽管溶质和溶剂之间的其他副反应可以在非常高的温度下发生。

    青岛科技大学研究生、本论文第一作者之一范颖萍研究了许多终止不良副反应的方法,但最终发现低沸点的硼酸三乙酯稳定剂非常有效。樊还指出,这是一种“清洁”的稳定剂,因为它可以在随后的热处理过程中完全从薄膜上除去。

    有了这种新的稳定剂,钙钛矿太阳能电池的再现性有了很大的提高。“现在,在制造设备之前,我们不需要每次都提出新的解决方案,”来自QIBEBT的崔光磊教授说。他指出,这一发现对钙钛矿模块的制造“非常重要”。

相关报告
  • 《我国科学家提出钙钛矿电池新结构方案》

    • 来源专题:能源情报网信息监测服务平台
    • 编译者:guokm
    • 发布时间:2023-02-23
    • 2月18日,从中国科学技术大学获悉,该校徐集贤教授团队与合作者,针对钙钛矿太阳能电池中长期普遍存在的“钝化—传输”矛盾问题,提出了一种命名为PIC(多孔绝缘接触)的新型结构和突破方案,实现了p-i-n反式结构器件稳态认证效率的世界纪录,并在多种基底和钙钛矿组分中展现了普遍的适用性。相关研究成果17日发表在《科学》杂志上。 在钙钛矿太阳能电池中,异质结接触问题带来的非辐射复合损失已被证明是主要的性能限制因素。由于“钝化—传输”矛盾问题的存在,超薄钝化层纳米级别的厚度变化都会引起填充因子和电流密度的降低。 研究团队提炼出的PIC接触结构方案,不依赖传统纳米级钝化层和遂穿传输,而直接使用百纳米级厚度的多孔绝缘层,迫使载流子通过局部开孔区域进行传输,同时降低接触面积。 团队通过PIC生长方式从常规“层+岛”模式向“岛状”模式的转变,成功利用低温低成本的溶液法实现了这种纳米结构的制备,并首次实现了空穴界面复合速度从60厘米/秒下降至10厘米/秒,以及25.5%的单结最高效率。这种性能的大幅改善在多种带隙和组分的钙钛矿中都普遍存在,展现了PIC广泛的应用前景。PIC结构在多种疏水性基底都实现了钙钛矿成膜覆盖率和结晶质量的提高,对于大面积扩大化制备也很有意义。 《科学》杂志审稿人评价:“PIC结构得到了很好的展示,并首次在空穴传输界面实现……这种方法将会对未来的局部钝化技术研究产生重要影响。”
  • 《青岛能源所揭示钙钛矿溶液的老化过程及解决方案》

    • 来源专题:中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
    • 编译者:guokm
    • 发布时间:2020-03-19
    •  在过去的十年里,钙钛矿太阳能电池技术高速发展,其最新的认证光电转化效率高达25.2%。钙钛矿太阳能电池的效率很大程度上取决于钙钛矿光活性层的结晶质量,这也是溶液法制备钙钛矿薄膜所需考虑的首要问题。   在溶液法制备钙钛矿薄膜前,需要一定的温度和搅拌来确保前驱体充分溶解,在将来的工业化生产过程中,这个过程可能更长。因此,我们需要钙钛矿前驱体溶液成分保持稳定。对甲胺铅碘单一体系,只要溶液体系足够密封,材料本身还是非常稳定的。而当溶液体系中甲胺和甲脒共存的情况下,溶液的衰变尤为明显,造成的结果是我们需要在每次做器件前配置新鲜的溶液,这不仅给器件研究工作带来了繁琐性,也带来了很大的不可控性,已成为限制钙钛矿器件发展的重要阻碍。      图 利用硼酸三乙酯添加剂抑制钙钛矿溶液中的副反应。   针对这一难题,青岛能源所崔光磊研究员和逄淑平研究员研究组近期对钙钛矿前驱溶液的老化过程进行了深入研究。研究人员发现,在甲胺离子和甲脒离子的混合有机阳离子钙钛矿溶液中发生了明显的副反应,并找到了抑制这些副反应的解决方案,证明了提高钙钛矿前驱溶液的稳定性是进一步提升电池光电效率和增强器件可重复性的关键。   研究人员利用核磁共振技术跟踪溶液老化过程的成分变化,发现随着时间的延长,钙钛矿溶液中碘化甲胺和碘化甲脒的成分逐渐减少,随之出现了一些新的化合物,这在以前是未被发现的。他们最终确定了副反应产物的结构并揭示了其反应机理,实际上是碘化甲胺去质子化后,再与碘化甲脒发生的加成-消除反应。为了进一步印证结论的准确性,他们又通过化学手段合成了该类物质,具有相同的核磁信号。   发现问题的目的是为了解决这一问题,研究人员随之引入硼酸三乙酯到溶液中,利用硼的空轨道与碘化甲胺的碘离子相互作用,限制其去质子化,从而有效限制了进一步与碘化甲脒的加成-消除反应,达到了提高钙钛矿前驱体溶液稳定性的目的。硼酸三乙酯是一种常用的低沸点溶剂,在后续薄膜的加热过程中可以完全挥发,不会在钙钛矿薄膜中残留,这对制备高质量钙钛矿薄膜是尤为重要的。   此外,研究人员还研究了可能存在的其它副反应,如之前报道的溶剂分解生成二甲胺等,但是这类反应通常在非常高的温度下才能发生。在常规制备钙钛矿薄膜的过程中,甲胺和甲脒间的副反应是主要的,这也解释了在甲胺甲脒复合钙钛矿薄膜当中杂相很难被完全消除的原因。   该研究获得了山东省人才工程、省相关人才计划、创新研究院合作基金、国家相关人才计划等项目的支持。(文/图 王啸 范颖平)