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基于CsxFA1-xPbI3-[GaAA3]4核壳结构的高效稳定钙钛矿太阳电池

基于CsxFA1-xPbI3-[GaAA3]4核壳结构的高效稳定钙钛矿太阳电池

近年来,新型钙钛矿太阳电池得到了迅猛的发展,短短几年内,转换效率已经提升至现在的22.7%,受到了人们的广泛关注,然而该类电池的稳定性成为限制其进一步产业化的瓶颈。

最近,暨南大学新能源技术研究院麦耀华教授团队的论文In-situ Induced Core/Shell Stabilized HybridPerovskites via Gallium(III) Acetylacetonate Intermediate towards HighlyEfficient and Stable Solar CellsEnergy & Environmental ScienceEES杂志上发表。EES是英国皇家化学会(RoyalSociety of ChemistryRSC)的会刊,是能源与环境领域影响因子最高的杂志(IF=29.518)。暨南大学范建东教授和麦耀华教授为文章共同通讯作者,李闻哲副研究员和河北大学硕士生张翠苓为共同第一作者。

该研究得到广东省高水平大学建设经费的资助,同时也得到国家自然科学基金委面上项目(51672111)、暨南大学科研培育与创新基金青年基金项目(21617341)的支持。

暨南大学新能源技术研究院是以国家“千人计划”特聘专家麦耀华教授为学术带头人,为打造高水平新能源技术创新研发平台而成立的研究团队。新能源技术研究院以技术创新和人才培养为工作重心,通过面向产业化的前沿技术研发、科研成果转化和创新型人才培养,推动学科建设和新能源产业的发展。目前,研究院有专职科研人员12名,拥有包括PECVD、溅射和SEMXRD等大型材料与器件的制备与表征设备50余台(套),主要开展高效率晶体硅太阳电池、化合物薄膜太阳电池、钙钛矿太阳电池、锂电池和光伏系统等方向的研究。

该研究工作获得了具有核壳结构的钙钛矿晶体薄膜,极大地提高了钙钛矿晶粒的防水性,并且通过钝化钙钛矿晶界的缺陷态,有效的提高了电池在潮湿环境中的稳定性和能量转换效率,器件在50%湿度条件下800h后仍能保持最初效率的90%

图文导读

1.钙钛矿晶体薄膜结构调控

通过在钙钛矿前驱体溶液中加入乙酰丙酮镓(GaAA3),在旋涂和退火过程中,GaAA3经异构化过程生成[GaAA3]4,并与钙钛矿晶粒形成核壳结构的晶体薄膜。

基于CsxFA1-xPbI3-[GaAA3]4核壳结构的高效稳定钙钛矿太阳电池

(a)GaAA3与异构化的[GaAA3]4单晶结构示意图;(b)GaAA3-MAI单晶结构示意图;(c)立方相的CsxFA1-xPbI3结构示意图;(d-f)核壳结构钙钛矿的HRTEM图像与傅里叶变换图像


2.薄膜的水氧稳定性

CsxFA1-xPbI3-[GaAA3]4核壳结构的晶体薄膜提高了薄膜的疏水性,有效地抑制了水对钙钛矿薄膜的分解作用。

基于CsxFA1-xPbI3-[GaAA3]4核壳结构的高效稳定钙钛矿太阳电池

(a-c)水在不同掺杂浓度的钙钛矿薄膜上的接触角测试图;(d)钙钛矿薄膜稳定性测试结果图与测试原理图


3.薄膜的荧光光谱测试

GaAA3掺杂提高了薄膜的荧光强度和寿命,同时荧光发射峰位随浓度的提高发生蓝移,说明GaAA3掺杂降低了钙钛矿薄膜的缺陷态密度。

基于CsxFA1-xPbI3-[GaAA3]4核壳结构的高效稳定钙钛矿太阳电池

(a)不同掺杂浓度的钙钛矿薄膜的稳态PL谱图;(b)不同掺杂浓度的钙钛矿薄膜的瞬态PL谱图;(c)不同掺杂浓度的钙钛矿薄膜的荧光寿命数值;(d-f)不同掺杂浓度的钙钛矿薄膜的荧光寿命mapping


4.器件的光伏特性

掺杂后的钙钛矿太阳能电池器件的最优效率达到18.24%,稳定化效率输出5h后仍然稳定在18%以上。器件在50%相对湿度的条件下,800h后仍能保持最初效率的90%

基于CsxFA1-xPbI3-[GaAA3]4核壳结构的高效稳定钙钛矿太阳电池

(a)最优器件的J-V曲线与效率统计图;(b)最优器件对应的EQE与积分电流图;(c)最优器件的稳定化效率输出曲线图;(d)器件在50%相对湿度下的稳定性图。


参考文献:

Wenzhe Li, Cuiling Zhang,  Yunping Ma,  Chong Liu, Jiandong Fan,  Yaohua Mai  and Ruud E. I. Schropp, EnergyEnviron. Sci., (2018), DOI: 10.1039/C7EE03113K

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