钙钛矿半导体室内光伏器件

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钙钛矿半导体室内光伏器件材料前沿热点、能源材料。

关键词： 钙钛矿光伏；室内光伏；结晶调控；室内缺陷钝化。

目录

应用领域

光伏发电；室内小功率光电器件无线自供电；物联网

成果简介

室内光伏技术在物联网（IoT）和移动电子产品供电领域拥有巨大的市场潜力，是能源领域实现降本增效的关键技术之一。金属卤化物钙钛矿带隙易调，可以保证最大感光度与人造光源的光谱完美吻合，是制备室内光伏器件的理想选择。钙钛矿室内光伏器件的核心是钙钛矿光吸收层在低照度下的能量转换过程，其结晶调控、缺陷钝化与弱光下的光伏响应机制是实现高性能钙钛矿室内光伏器件的关键。 苏州大学王照奎教授课题组在钙钛矿缺陷钝化方面，揭示了分子构型影响钙钛矿表面缺陷的钝化机制，发展了钙钛矿表面缺陷/体内缺陷/界面缺陷全方位钝化的新策略【Science (2019, 366, 1509)、Joule (2019, 3, 1464)、Adv. Mater. (2020, 32,2001479)、J. Am. Chem. Soc.（2019，141，13948】。在钙钛矿结晶调控方面，提出了光电场调制等钙钛矿结晶动力学过程多方位调控的新思路，构建了钙钛矿“界面诱导晶化”的物理模型【Adv. Mater. (2019, 31, 1902222; 2019, 31, 1901519)】；在此基础上，在国内率先开展了钙钛矿室内光伏器件的研究，结合钙钛矿表面缺陷钝化策略，实现了40.2％的目前报道的最高光电转换效率的钙钛矿室内1000 lux）光伏器件【Sci. Bulletin (2021, 66, 347)、Adv. Energy Mater. (2018, 8, 1801509)、Adv. Funct. Mater. (2021, 30, 2011242)】。考虑到尽可能避免钙钛矿中铅的毒性所带来的风险，课题组在全锡基钙钛矿（FA0.75 MA0.25SnI2Br）室内光伏器件方面进行了探索性研究，通过儿茶酚（Catechin）钝化锡基钙钛矿的晶界缺陷，实现了12.8%的室内（1000 lux）光电转换效率（Appl. Phys. Lett. 2021, 118, 023501）。这是迄今为止报道的首个环境友好型钙钛矿室内光伏器件。鉴于锡基钙钛矿相对较小的毒性、合适的带隙以及相应器件具有较高的能量转换效率等优点，其最有希望成为未来室内光伏器件的理想材料选择。

面对全球能源、气候危机，发展新能源、节能减排成为世界各国的重大课题。通过钙钛矿室内光伏技术，可以利用建筑物内部和阴天下的低强度漫射光进行发电。这种电池所用的光源大部分来自透过窗户照进来的太阳光、白炽灯、荧光灯及LED灯等。如果有高效率的低照度光伏技术来替代目前电子产品中所用的普通电池，给智能家居中的各种小功耗光电器件如传感器、探测器等提供方便的连续电源供给，用电成本将会降低。同时，可以实现数字化、网络化、智能化的信息家电物联网系统，使其功能更加强大，使用更加简单、方便和实用，实现更高品质的家庭生活和办公环境。

经济效益与社会效益

随着信息技术的快速发展，众多的新型电子产品进入了人们的生活和工作中。但其电池的更换或有线模式的充电仍然存在着诸多不便。如果有高效率的低照度光伏技术来替代目前电子产品中所用的普通电池，其便携性会大幅改善，用电成本也会大幅降低。本研究成果，对于面向新型廉价的低照度光伏技术的研究和产业化具有重要的指导意义和经济价值。