刘明侦教授团队钙钛矿太阳能电池研究取得重要进展

文:必威官网亚洲 材料学院 图:材料学院 / 来源:材料学院 / 2020-01-22 / 点击量:8371

  近日,材料与能源学院刘明侦教授团队在太阳能电池研究方面取得重要进展,在国际著名期刊《Nano Energy》、《Solar RRL》上连续发表多篇关于进一步提升钙钛矿太阳能电池和柔性钙钛矿太阳能电池光电转换效率的研究论文,以及高效柔性钙钛矿太阳能电池器件结构组分的综述论文。

  论文题目分别为“Inhibited aggregation of lithium salt in spiro-OMeTAD toward highly efficient perovskite solar cells”(通过抑制空穴传输层中锂盐团聚提高钙钛矿太阳能电池效率),第一作者为刘洋/胡逾超;“Anti-solvent Free Fabrication of FA-Based Perovskite at Low Temperature towards to High Performance Flexible Perovskite Solar Cells”(低温无反溶剂条件下制备高性能柔性甲脒钙钛矿太阳能电池),第一作者为邓文斌/李发明;“Recent Advances of Device Components toward Efficient Flexible Perovskite Solar Cells”(高效柔性钙钛矿太阳能电池的器件组分),第一作者为曾鹏/邓文斌。上述论文均以必威官网亚洲材料与能源学院为第一署名单位,刘明侦教授为唯一通讯作者。

  《Nano Energy》是Elsevier出版社旗下聚焦能源材料领域的权威期刊,该期刊将纳米科学技术与能源科学结合在一起,主要收录与该主题相关的实验和理论研究工作,2019年期刊影响因子为15.548。《Solar RRL》则是Wiley出版社旗下聚焦太阳能领域的高水平新期刊。

  钙钛矿太阳能电池由于其优越的光电性能,较低的制造成本,简单的合成工艺以及接近硅基太阳能电池的25.2%的光电转换效率,受到了科研工作者的广泛关注。钙钛矿电池器件在光照条件下产生电子-空穴对,利用电子传输层和空穴传输层将电子和空穴从钙钛矿吸光层中抽取出来,并传输到外电路,从而将光能转换为电能。其中,空穴传输层作为太阳能电池器件的重要组成部分,是实现高效太阳能转换的关键。同时,随着便携式电子产品、塑形显示设备和可穿戴电子纺织品的广泛应用,对于柔性电池的需求也随之不断增加,因此将钙钛矿太阳能电池技术应用于柔性电池设计与制造也是现今的研究热点。刘明侦教授团队基于对钙钛矿材料以及器件的深入了解和深厚的理论基础,在空穴传输层优化以及柔性钙钛矿太阳能电池领域取得了重要进展。

  成果1. 通过空穴传输层中添加PbI2抑制锂盐团聚

  作为空穴传输层中的添加物,锂盐可以显著提高空穴传输层的空穴迁移率,但是锂盐极其容易团聚,从而降低器件光电性能。刘明侦教授课题组提出了一种将少量的PbI2掺入到钙钛矿器件中的空穴传输层中的方法。实验计算结果和测试结果表明,PbI2可以和空穴传输层中的添加物TBP形成络合物。透射电子显微镜(TEM)和原子力显微镜(AFM)测试结果(图1)显示,相比于单独的TBP分子,少量的PbI2-TBP络合物能够有效抑制空穴传输层中锂盐的团聚,从而明显提升空穴传输层的表面形貌。

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  图1. 空穴传输层(spiro-OMeTAD)薄膜对照组和加入PbI2后的表面形貌比较(a-d)TEM图像,(e-h)AFM图像

  课题组进一步分析了PbI2的引入对器件光电性能的影响。利用空间电荷限制电流法(SCLC)测试发现掺入PbI2的空穴传输层的空穴迁移率从6.61×10-3cm2ּ∙V-1ּ∙s-1提升到1.07×10-50px2ּ∙V-1ּ∙s-1。而且瞬态PL测试则证明掺入PbI2后,空穴传输层和钙钛矿的界面具有更高的电荷提取效率。加入PbI2的器件光电性能具有显著的提升,光电转化效率提高超过20%。

  成果2. 低温无反溶剂条件下制备高性能柔性FA基钙钛矿太阳能电池

  由于柔性衬底通常不耐高温,低温制备方法一直是柔性电池的技术关键。为了实现低温制备柔性钙钛矿太阳能电池,使用反溶剂结晶法制备钙钛矿薄膜成为一种最常用的方法。然而,反溶剂的滴加需要非常精确的控制,并且反溶剂通常具有毒性,这限制了柔性电池的大规模工业应用。为了解决这一问题,刘明侦教授课题组发明了一种不需要反溶剂的低温制备钙钛矿薄膜的方法:通过在动态旋涂FAI和PbI2混合溶液的过程中,滴加MABr溶液,在40℃的退火温度下即可实现黑相FA-基钙钛矿的制备,并在随后的优化中发现当退火温度为100℃时器件性能达到最佳。

  SEM和XRD图谱(图2a-c)显示了该方法制备钙钛矿薄膜在不同退火温度下的形貌变化和相变过程,证明经过MABr溶液处理的钙钛矿薄膜不仅成功的在40℃的退火温度下形成了FA基钙钛矿的α相,并且形成的钙钛矿薄膜非常致密,具有良好的结晶性。随着温度的上升,晶粒在逐渐长大,结晶性更好。FA基钙钛矿的结晶过程如图2d所示:在动态旋涂的过程中,加入的MABr形成了形成能较低的MA基的α相(α-MAPbX3),α-MAPbX3作为晶种促进了FA基α相的生长,有效地将FA基钙钛矿α相的相变温度从150℃降低到40℃,并且最佳的退火温度对柔性衬底的影响非常小。

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图2. 钙钛矿薄膜在不同退火温度下的SEM图、XRD图、相变概念图

  成果3. 高效柔性钙钛矿太阳能电池器件结构组分研究进展综述

  近年来,探索光伏技术中具有柔性和可拉伸特性的新型材料和器件结构,进一步实现高性能柔性太阳能电池(FPSCs)成为了科学研究热点。刘明侦教授课题组在《Solar RRL》上发表的综述文章,详细回顾和总结了近年来对FPSCs器件结构及其组分的研究进展。该文首先总结并讨论了近些年来在柔性钙钛矿太阳能电池领域所取得的研究成果,梳理出目前柔性钙钛矿材料和器件的研究趋势,其次进一步论述了实现柔性钙钛矿电池商业化所面临的挑战,包括柔性基底耐热性低、水蒸气透过率和氧气渗透率较高、器件太阳能转化效率低以及卷对卷等大规模生产技术应用存在挑战等,最后对柔性钙钛矿太阳能电池领域进行了展望。 

  刘明侦教授团队主要从事新能源材料及光电器件研究。主要研究方向为高效率有机-无机杂化/全无机钙钛矿太阳能电池、钙钛矿发光和探测器器件以及钙钛矿量子点材料的合成和应用。近年来,该团队已在《iScience》《Journal of Material Chemistry A》《Solar RRL》等SCI国际著名期刊上发表多篇论文。 


  相关链接:

  Inhibited aggregation of lithium salt in spiro-OMeTAD toward highly efficient perovskite solar cells(doi: 10.1016/j.nanoen.2020.104483; Nano Energy)

  http://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104483

  Anti-solvent Free Fabrication of FA-Based Perovskite at Low Temperature towards to High Performance Flexible Perovskite Solar Cells(doi: 10.1016/j.nanoen.2020.104505; Nano Energy)

  http://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104505

  Recent Advances of Device Components toward Efficient Flexible Perovskite Solar Cells(doi: 10.1002/solr.201900485; Solar RRL)

  http://doi.org/10.1002/solr.201900485

  团队主页链接:http://elledetails.com/optoelectronics.elledetails.com/



编辑:林坤  / 审核:林坤  / 发布者:陈伟