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《Nature Energy》发表实验室钙钛矿太阳能电池最新研究成果

发布时间:2021-06-15 09:21
  近日,材料复合新技术国家重点实验室钙钛矿太阳能电池研究团队取得重要研究进展,成果以“The critical role of composition-dependent intragrain planar defects in the performance of MA1-xFAxPbIperovskite solar cells”为题,发表在国际顶级能源类期刊《Nature Energy》上。实验室李蔚研究员为论文第一作者,论文链接:https://www.nature.com/articles/s41560-021-00830-9。



  有机-无机杂化钙钛矿是一类晶体结构与CaTiO3相同的光电材料,其化学通式为ABX3,其中A位阳离子为CH3NH­2+(MA+)、CH(NH2)2+(FA+)、Cs+等;B位为Sn2+和Pb2+;C位是卤素阴离子I-、Br-和Cl-。有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池一经面世就取得了突飞猛进的发展,与传统硅太阳能电池相比,有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池有着原料丰富、制备过程简易、生产成本低廉、生产能耗低等优点。其认证效率记录不断刷新,最高认证效率已经达到25.5 %,逼近单晶硅太阳能电池26.7 %的光电转化效率,已经引发了全球光伏行业的广泛关注。如实现大规模产业化,将有利于进一步降低太阳能电池的发电成本,促进我国早日实现碳中和的目标。
  由于有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池具有优异的光电转换效率、较长的载流子扩散长度和较低的复合速率,这也导致了人们长期以来认为有机-无机杂化钙钛矿中的晶体缺陷,在电学上不会对光生载流子的收集和复合产生不利的影响,因而对太阳能电池的光电转化性能影响较小。由于钙钛矿晶体中的有机成分在高能电子束下非常不稳定,导致从实验上很难通过先进的电子显微技术确定晶体缺陷对器件性能的作用机制。
  我校钙钛矿太阳能电池研究团队经过六年多的深入研究,通过超低剂量透射电子显微技术,在国际上首次揭示了钙钛矿中的面缺陷(层错、孪晶等)对有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池的性能产生重要影响。通过改变MA1-xFAxPbI3 (x=0-1)中甲铵(MA)/甲脒(FA)的组成,研究发现电荷载流子寿命、开路电压和电流-电压曲线的迟滞效应与钙钛矿立方相中{111}面缺陷(x=0.5-1)和四方相中{112}孪晶缺陷(x=0-0.1)的密度和结构密切相关。当钙钛矿材料内没有明显的面缺陷时(x=0.2),器件性能最佳。同样,通过MASCN蒸气处理,可以显著的降低FAPbI3(x=1)中立方相{111}面缺陷的密度,从而大幅提升太阳能电池的性能。
  该研究揭示和阐明,具有六方相结构的{111}c 层错(类似于单原子层的不具光伏活性的黄色相 δ- FAPbI3)一方面容纳大量的点缺陷、促进位错的生成、从而形成离子移动的通道,导致电池的迟滞效应加剧;另一方面导致非辐射复合增加,最终影响电池的光电转化效率。与之相对应的是,四方相中的{112}t面孪晶并不会导致大量点缺陷聚集,从而并不会形成离子移动通道,也对非辐射复合速率影响不大。因此,除了晶界和界面等已确定的材料参数外,钙钛矿中晶体内部缺陷的调控对钙钛矿太阳能电池性能的提升也起着至关重要的作用。
  李蔚,2009-2018年先后在澳大利亚新南威尔士大学和莫纳什大学,攻读博士学位和从事博士后研究,2018年9月加入武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室,任研究员,2021年入选国家级高层次人才(青年项目)。主要研究方向为:新型光电材料的微观结构缺陷对器件性能的作用机理、钙钛矿太阳能电池及钙钛矿/硅叠层太阳能电池产业化技术。以第一作者(含共同第一作者)或通讯作者发表了19篇SCI学术论文,包括Nat. Energy, Nat. Comm.、Adv. Mat.、Adv. Energy Mat.和Sci. China Mater. 等高水平学术期刊。
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