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《美国莱斯大学提出将甲脒碘基钙钛矿合成超稳定、高品质光伏薄膜的方法》

  • 来源专题：先进材料
  • 编译者： 李丹
  • 发布时间：2024-07-01

  • 转自全球技术地图

    据linkresearcher 6月25日消息，美国莱斯大学研究人员提出了一种将甲脒碘基钙钛矿（FAPbI3）合成超稳定、高品质光伏薄膜的方法。研究人员通过使用特定的二维（2D）钙钛矿进行晶格模板化来制备超稳定的纯相甲脒铅碘（FAPbI3）薄膜的策略。这些2D钙钛矿以甲脒（FA）作为笼阳离子，能够在较低温度（100°C）下诱导FAPbI3形成黑相，比传统方法的温度低得多。在这种方法中，2D钙钛矿通过其（011）晶间距模板化FAPbI3的晶格，使其略微压缩，从而稳定黑相结构。通过这种2D模板化方法制备的FAPbI3薄膜在pin结构的光伏设备中表现出24.1%的高效率，并在85°C和最大功率点跟踪下经过1000小时后仍能保持97%的初始效率。这一研究结果表明，通过使用与FAPbI3晶格常数相匹配的设计师2D钙钛矿，可以显著提升3D钙钛矿的相稳定性和光伏性能，为进一步提升钙钛矿太阳能电池的实际应用提供了新思路。相关研究成果发表在《Science》期刊。

  • 原文来源：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq6993
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    • 一个国际研究团队利用喷墨打印工艺制造了甲脒锡铅 (Sn-Pb) 钙钛矿薄膜，用于钙钛矿太阳能电池制造。 “这项研究代表着通过喷墨打印技术开发低铅环保钙钛矿太阳能电池的重大进步。我们由 Eva Unger 教授领导的团队致力于优化喷墨打印工艺，以确保精确的薄膜沉积并提高设备性能，”第一作者 Ayush Tara 告诉《光伏》杂志。“这项研究为环保、可扩展且高效的太阳能解决方案开辟了新途径。” 该团队选择喷墨打印技术来制备混合甲脒锡铅 (Sn-Pb) 薄膜，是因为该技术“设计灵活”，能够“精确调整有机卤素钙钛矿层的结晶特性”，而且控制程度高。与旋涂法相比，该技术还被认为是一种高通量制造方法，旋涂法可以制造出高性能的实验室级设备，但缺乏规模化潜力。 研究人员准备了过滤的前体钙钛矿墨水溶液，然后将其填充到德国 Süss Microtec 提供的工具中的 Pixdro LP50 喷墨打印头中。这是一个 Spectra SE128 打印头，液滴大小为 30 pL。他们解释说，墨水保持在 60 C 的墨头温度下，打印是在打印头电压为 80 V 和喷射频率为 100 Hz 的情况下进行的，该打印应用于移动基板。他们说：“在打印分辨率为 500 dpi、质量因数为 4、打印速度为 100 mm/s 和滴速为 4m/s 时可获得最佳效果。” 印刷后，对基板进行气流辅助真空干燥处理，然后在 100 C 下进行 10 分钟的热退火。测试结果表明，“将高达 50% 的 Pb 掺入 FASnI3 薄膜中可提高晶格稳定性。”性能最佳的组合物是有效面积为 0.16 cm2、功率转换效率为 10.26% 且能带隙为 1.25 eV 的太阳能电池。 该团队补充说，根据他们的知识，该性能代表了迄今为止通过喷墨打印生产的混合锡铅基钙钛矿太阳能电池的最高效率。“此外，这些电池的吸收光谱延伸到 1000 nm 以上，对应于 1.25 eV 的带隙，”科学家指出，强调其适合作为全钙钛矿串联太阳能电池窄带隙子电池的候选材料。“结果表明，喷墨打印可以有效提高锡铅基 PSC 的效率，支持设备制造的可扩展性，”他们总结道。 该研究为进一步的研究奠定了基础。“下一个目标是开发大面积喷墨打印的锡铅钙钛矿太阳能电池，并最终将它们集成为全钙钛矿串联太阳能电池的底部电池，”塔拉说。 研究工作细节发表在《ACS 应用材料与界面》杂志上的《喷墨打印的 FASn?–?Pb?I? 基钙钛矿太阳能电池》上。研究团队包括来自德国亥姆霍兹-柏林研究机构、印度孟买理工学院和印度查谟大学的研究人员。
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  • 《我国学者在高效稳定钙钛矿太阳能电池方面取得进展》
    • 来源专题：能源情报网监测服务平台
    • 编译者：郭楷模
    • 发布时间：2025-02-06
    • 图 （A）器件结构示意图；（B、C）不同构型的电池老化后的ToF-SIMS深度剖面图。（D）无MoS2钝化和有MoS2钝化的钙钛矿的相变能量曲线。（E）钙钛矿、MoS2/钙钛矿、MoS2/钙钛矿/MoS2薄膜的TRPL衰减曲线。（F）在中国计量科学研究院认证的最优钙钛矿太阳能电池性能；（G）最优钙钛矿微型组件性能；（H）钙钛矿太阳能电池的高温运行稳定性。   在国家自然科学基金项目（批准号：52125206、52302320）等资助下，北京大学周欢萍教授与合作者在高效稳定钙钛矿太阳能电池方面取得进展。相关研究成果以“晶圆级单层硫化钼集成实现高效稳定钙钛矿太阳能电池（Wafer-scale monolayer MoS2 film integration for stable, efficient perovskite solar cells）”为题，于2025年1月10日在线发表于《科学》（Science），论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado2351。   金属卤化物钙钛矿以其优越的光电性能和低廉的成本成为最有前景的新一代光伏材料。尽管钙钛矿太阳能电池发展迅速，但同时实现高效和稳定仍是巨大挑战。卤化物钙钛矿由于其软晶格和相对较弱的键，在太阳能电池运行过程中容易降解。即使通过封装来隔离水分和氧气，钙钛矿在热、光照和电场下的不稳定性仍是其商业化应用亟需解决的关键问题。   周欢萍教授团队提出将晶圆级连续单层MoS2集成到钙钛矿层的上、下界面以形成稳定器件构型，从而显著增强钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。研究表明，晶圆级MoS2插层由于连续二维形态，从物理上最大程度地阻挡了钙钛矿离子向载流子传输层的迁移。而且，MoS2通过与钙钛矿强配位相互作用在化学上稳定了α相FAPbI3。MoS2插层还通过与钙钛矿形成Pb-S键化学钝化钙钛矿表面缺陷，并通过与钙钛矿I型能带排列阻挡少子复合，从而显著减少了载流子非辐射复合。此外，单层MoS2的原子级厚度克服了钝化质量和载流子传输之间难以协同的挑战，最大限度地提高了钙钛矿太阳能电池的开路电压（认证VOC=1.20 V）和填充因子（认证FF=84.3%）。包含MoS2/钙钛矿/MoS2结构的钙钛矿太阳能电池和组件分别实现了高达26.2%（认证稳态效率为25.9%）和22.8%的光电转换效率。此外，电池表现出卓越的湿热稳定性（在85℃和85%相对湿度下老化1200小时后保留初始效率的95%）、光照稳定性（在连续一个太阳照射下在开路状态下老化2000小时后保留初始效率的96.6%）和运行稳定性（在室温下连续一个太阳照射下在最大功率点跟踪2000小时后效率基本没有衰减，在85℃下连续一个太阳照射下在最大功率点跟踪1200小时后保留初始效率的96%）。   本研究通过界面工程将二维材料与软晶格光电材料结合起来，为提高钙钛矿基光电器件的性能提供了有效策略，并可以扩展到传感器、探测器等其他相关领域支撑高效稳定器件的构建。
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