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南京大学谭海仁Nature Communications丨钙钛矿材料中引入偶极性阳离子,大幅提升光电转换效率

研究发现有偶极性的有机阳离子对有机-无机杂化钙钛矿材料的缺陷性能具有显著的影响,在钙钛矿材料中引入少量的偶极性阳离子,可以大大降低宽带隙钙钛矿太阳能电池中的非辐射复合损失,大幅提升光电转换效率。

南京大学谭海仁Nature Communications丨钙钛矿材料中引入偶极性阳离子,大幅提升光电转换效率

近日,南京大学现代工程与应用科学学院的谭海仁教授与多伦多大学的Edward Sargent教授发现有偶极性的有机阳离子对有机无机杂化钙钛矿材料的缺陷性能具有显著的影响,在钙钛矿材料中引入少量的偶极性阳离子,可以大大降低宽带隙钙钛矿太阳能电池中的非辐射复合损失,大幅提升光电转换效率。基于1.65 eV1.75eV的宽带隙钙钛矿太阳能电池的稳态转换效率分别高达20.7%19.1%,均是目前报道的宽带隙钙钛矿电池中的最高效率值。该工作将有望显著提升基于钙钛矿的叠层太阳能电池的转换效率,推动钙钛矿基高效率叠层光伏器件研究的新进展。

南京大学谭海仁Nature Communications丨钙钛矿材料中引入偶极性阳离子,大幅提升光电转换效率

近年来,晶体硅太阳能电池效率不断提升,几近理论极限,持续增加的空间有限。光伏系统的成本取决于电池的光电转换效率,如何继续提高太阳能电池的光电转化效率对于降低发电成本,促进太阳能电池产业的发展有着至关重要的意义。制备更低成本、更高效率的太阳能电池是未来进一步降低光伏发电成本、实现平价电网目标的关键。构筑多结太阳能电池是提升光伏器件转换效率的重要途径,结合具有低成本的钙钛矿和工艺成熟的晶体硅,则有望在已大规模应用的晶体硅太阳能电池技术上大幅提升硅电池的转率效率,实现低成本、高效率的叠层光伏组件。钙钛矿太阳能电池以其成本低、制备方法简单且转化效率高的优点,近年来在光伏研究领域独树一帜,展现出巨大的商业化潜力。

为了与晶体硅电池(带隙1.1 eV)进行叠层并获得更高的光电转换效率,制备高效率的宽带隙钙钛矿太阳能电池(理想带隙约1.7 eV左右)是实现高效率叠层光伏电池的关键核心课题之一。然而在宽带隙钙钛矿材料中存在较高的缺陷态密度,导致电池的开路电压损失越大、填充因子较小,限制了宽带隙钙钛矿电池的转换效率。为了有效地降低宽带隙钙钛矿薄膜材料中由缺陷导致的非辐射复合,谭海仁教授和合作研究者展开研究,通过在相稳定的铯甲脒二元混合阳离子钙钛矿中引入少量具有偶极性的甲胺离子,实现显著降低非辐射复合的目的。相比于无偶极矩的铯离子或偶极矩很小的甲脒离子,甲胺离子具有很大的偶极矩,而且在钙钛矿晶格中甲胺离子较容易在空间中转动,偶极子可与附近的带电陷阱中心产生静电相互作用,其较大的偶极矩可局域地对带电的陷阱中心产生静电屏蔽效应,从而减小陷阱中心对载流子的俘获截面,降低由于陷阱中心导致的非辐射复合。最终在基于1.65 eV带隙的钙钛矿电池中获得了1.22 V的开路电压和超过80%的填充因子,稳态转换效率达到20.7%;基于1.74 eV带隙的钙钛矿电池中也获得了1.25 V的开路电压和19.1%的稳定效率。这两种宽带隙钙钛矿的转换效率均是目前报道的最高值。该工作为进一步提升钙钛矿太阳能电池的效率提供了新方法,也为获得高效率钙钛矿基叠层光伏器件(比如钙钛矿晶体硅叠层电池、钙钛矿钙钛矿叠层电池)提供了良好的基础。

南京大学谭海仁Nature Communications丨钙钛矿材料中引入偶极性阳离子,大幅提升光电转换效率

1:引入偶极性甲胺(MA)阳离子后宽带隙钙钛矿太阳能电池的光伏性能比较,少量甲胺离子的加入可以显著提升电池的开路电压和填充因子,抑制电池的J-V迟滞现象,小面积电池转换效率高达20.7%,大面积器件效率达19.3%

南京大学谭海仁Nature Communications丨钙钛矿材料中引入偶极性阳离子,大幅提升光电转换效率

2:钙钛矿材料和器件的光电性能表征,偶极性甲胺(MA)阳离子的引入,可显著降低载流子的非辐射复合,从而提高钙钛矿薄膜的光致发光强度、荧光寿命和器件中载流子的复合寿命。

南京大学谭海仁Nature Communications丨钙钛矿材料中引入偶极性阳离子,大幅提升光电转换效率

南京大学现代工程与应用科学学院谭海仁教授与多伦多大学Edward Sargent教授是文章的共同通讯作者,合作者加州大学伯克利分校Mark Asta教授对本工作的理论计算给予了重要的指导。

本项研究中谭海仁教授。感谢南京大学现代工程与应用科学学院、固体微结构国家实验室(筹)、人工微结构科学与技术协同创新中心、江苏省功能材料设计原理与应用技术重点实验室的大力支持。 

文献信息:

Tan H, Che F, Wei M, et al. Dipolar cations confer defect tolerance in wide-bandgap metal halide perovskites[J]. Nature communications, 2018, 9(1): 3100.

本文来自南京大学现代工程与应用科学学院,转载旨在知识传播,本文观点不代表清新电源立场。 扫描页面右上角二维码关注微信公众号南京大学现代工程与应用科学学院

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