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寧波材料所在倒置結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池研究方面取得重要進(jìn)展
【塑料機(jī)械網(wǎng) 科技創(chuàng)新】雙碳政策驅(qū)動(dòng)下的光伏需求逐步呈現(xiàn)井噴式增長(zhǎng)，未來(lái)光伏在一次性能源消費(fèi)領(lǐng)域的占比將從不到1%提升到25%以上，光伏市場(chǎng)前景可期。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSCs）作為第三代新型太陽(yáng)能電池，其單結(jié)電池實(shí)驗(yàn)室認(rèn)證效率(PCE)已經(jīng)達(dá)到26.14%，可與晶硅太陽(yáng)能電池相媲美。PSCs在制備工藝和制造成本方面更具優(yōu)勢(shì)，未來(lái)有望替代晶硅電池，并將掀起光伏行業(yè)的新一輪技術(shù)變革。然而，鈣鈦礦薄膜中非輻射復(fù)合位點(diǎn)的存在以及鈣鈦礦光活性層和電荷傳輸層之間的能級(jí)不匹配是載流子收集和能量利用的障礙，導(dǎo)致嚴(yán)重的開(kāi)路電壓（VOC）損失；而且，鈣鈦礦薄膜中的缺陷在帶隙內(nèi)會(huì)產(chǎn)生阱能態(tài)，從而捕獲載流子，加速了PSCs的降解。
為解決這一問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所有機(jī)光電材料與器件團(tuán)隊(duì)在葛子義研究員的帶領(lǐng)下，前期通過(guò)薄膜形貌調(diào)控、新型二維鈣鈦礦材料設(shè)計(jì)和載流子傳輸層修飾等手段，大幅提升了剛性和柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的效率和穩(wěn)定性。
前期研究成果
Energy Environ. Sci. 2023, 16, 5423;
Adv. Mater. 2023, 2302752;
Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e2022175;
Adv. Funct. Mater. 2023, 2301956;
Infomat 2022, e12379；
Nano Energy 2022, 93, 106800；
Energy Environ. Sci. 2022, 15, 3630；
Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2101416
近日，針對(duì)鈣鈦礦薄膜中晶體學(xué)缺陷多和鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的VOC損失嚴(yán)重的問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了多功能三氟硼酸鹽（PTFBK）作為鈣鈦礦前驅(qū)體溶液的添加劑。除了同時(shí)鈍化鈣鈦礦薄膜中的陰離子和陽(yáng)離子缺陷外，PTFBK還可以優(yōu)化器件的能級(jí)排列，削弱載流子與縱向光學(xué)聲子之間的相互作用，從而使載流子壽命大于3 µs。此外，還抑制了非輻射復(fù)合，提高了鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶能力。因此，剛性和柔性倒置鈣鈦礦太陽(yáng)能電池分別獲得了24.99%和23.48%的功率轉(zhuǎn)換效率。更重要的是，由于甲脒和氟之間的氫鍵作用，器件表現(xiàn)出顯著的熱、濕度和最大功率點(diǎn)跟蹤下的運(yùn)行穩(wěn)定性。同時(shí)，鈣鈦礦層中降低的楊氏模量和殘余應(yīng)力也為柔性器件提供了良好的彎曲穩(wěn)定性。
圖1(a)添加劑與鈣鈦礦相互作用示意圖；(b)熱載流子釋放過(guò)程示意圖；(c)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件結(jié)構(gòu)及J-V特性曲線
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