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界面修飾技術提升鈣鈦礦太陽能電池的穩定性材料前沿熱點、能源材料、有機高分子材料。

關鍵詞： 鈣鈦礦、界面修飾、穩定性

應用領域

光電功能材料與器件

成果簡介

近年來，由於太陽能具有資源豐富、清潔、可再生等諸多優點，受到了科研界和工業界的廣泛關注。儘管鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）在過去十年裡得到飛速發展，但目前高效率電池中使用的有機無機雜化鈣鈦礦材料的穩定性較差，從一定程度上限制了其大規模商業化應用。與傳統雜化鈣鈦礦相比，全無機鈣鈦礦具有較優異的熱穩定性和與生物的兼容性，使得相關光電器件具備可穩定長期使用的可能。但是由於全無機鈣鈦礦帶隙較大，由此產生較大的能量損失，導致其光電轉換效率相對較低。因此發展新型高效穩定的 CsPbIxBr3-x全無機鈣鈦礦太陽能電池成為當前研究的熱點。其中，CsPbBr3以其具有優異的環境穩定性，且其製備過程對環境條件要求低等優點備受關注。有研究人員利用碳材料取代金屬電極製備出無空穴傳輸層的PSCs，由於碳材料具有極強的離子遷移惰性和耐水性，從而可以進一步提升器件穩定性，使其具有更為廣闊的應用前景。

本團隊發展了一系列無機鈣鈦礦材料CsPbBr3薄膜的簡易製備技術，通過連續沉積法，再不使用手套箱和真空鍍膜儀的前提下，可製備高純度，均一平整的全無機鈣鈦礦材料CsPbBr3薄膜並獲得高穩定性全無機鈣鈦礦太陽能電池。並進一步採用多種摻雜劑對鈣鈦礦前驅液進行摻雜，利用摻雜劑的配位效果和強離子遷移性提高器件性能，使得缺陷態密度大大降低，並且相應器件中的暗複合被有效地抑制，載流子壽命延長，並探究了不同濃度摻雜劑對CsPbBr3 PSCs的影響。同時，本團隊還採用了一種可持續的雙溶劑體系，用於以三步溶液處理製備高質量的CsPbBr3薄膜，其中雙溶劑體系由綠色溶劑組成以代替傳統的CsBr的有毒甲醇溶劑。通過調節熱處理溫度和自塗速度，得到了無針孔、超光滑和高結晶度得CsPbBr3薄膜。此種方法有效地減輕了CsPbBr3鈣鈦礦太陽能電池製備過程中的溶劑毒性。最後通過材料設計、性質測定、結構表徵、器件組裝和效能評價，闡明鈣鈦礦材料和電子傳輸材料能級匹配、界面匹配和結構匹配規律，進一步研究全無機鈣鈦礦組成、結構、帶隙等調控機制對器件的光電性能和長期穩定性影響。

本團隊方法與傳統溶液法製備有機無機鈣鈦礦薄膜相比，通過優化製備工藝，引入不同材料進行離子取代等方式獲得高質量的鈣鈦礦薄膜，改變光吸收特性，優化能級匹配及提升結構穩定性，最終提升CsPbBr3器件的光伏特性。同時開發無空穴導電層和碳基電極的太陽能電池結構，不再使用昂貴的空穴材料以及替換貴金屬電極。具有操作簡易，成本低廉且重複性較高等優點，為實現鈣鈦礦器件的商業化奠定了一定的基礎。

經濟效益與社會效益

這項研究有助於推進鈣鈦礦太陽能電池的實用化、商品化，對解決鈣鈦礦電池在實際應用中的穩定性問題意義重大。