【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】長期以來，高性能鈣鈦礦電池因?qū)︺U元素的依賴而面臨環(huán)保爭議。
北京時間10月15日，上海交通大學(xué)溥淵未來技術(shù)學(xué)院戚亞冰教授與來自復(fù)旦大學(xué)的梁佳青年研究員、南京理工大學(xué)的徐勃教授的合作文章以“Tin-based perovskite solar cells with a homogeneous buried interface”為題發(fā)表在《自然》(Nature)雜志上。該研究成功將錫基鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率提升至17.89%(第三方認證值17.71%)，刷新該領(lǐng)域世界紀(jì)錄。這一突破標(biāo)志著環(huán)境友好型錫基鈣鈦礦技術(shù)向商業(yè)化應(yīng)用邁出關(guān)鍵一步。
在全球清潔能源的競賽中，鈣鈦礦太陽能電池以高效率、低成本和易加工等優(yōu)勢成為新一代光伏技術(shù)的熱門方向。然而，這一技術(shù)體系的核心材料含鉛，潛在的環(huán)境與健康風(fēng)險始終如“達摩克利斯之劍”般懸于頭頂。如何在兼顧性能的前提下擺脫“鉛”的束縛，實現(xiàn)真正綠色無害的光伏發(fā)電？這是國際學(xué)界亟待解決的關(guān)鍵問題。
錫基鈣鈦礦因具有理想帶隙、高遷移率和良好環(huán)境相容性，被視為最具潛力的無鉛替代體系。在倒置錫基鈣鈦礦太陽能電池中，器件性能高度依賴于空穴傳輸層的質(zhì)量。理想的空穴傳輸層不僅需要具有高效的空穴提取與界面缺陷鈍化能力，還應(yīng)精確調(diào)控鈣鈦礦薄膜的成核動力學(xué)、相分布、應(yīng)力分別及微觀結(jié)構(gòu)等。目前，高性能倒置錫基鈣鈦礦太陽能電池多采用高分子聚合物(PEDOT:PSS)作為空穴傳輸層材料，然而該聚合物固有的吸濕性、酸性以及對紫外光和水分敏感等特性將加速錫基鈣鈦礦材料的氧化與降解，大幅限制器件的效率和穩(wěn)定性。
面對這一挑戰(zhàn)，團隊獨辟蹊徑，提出了一種巧妙的“雙層空穴傳輸層”結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)以穩(wěn)定性優(yōu)異的氧化鎳為底層基底，并在其上構(gòu)筑一層自組裝單分子層(SAM)，從而形成均一且功能協(xié)同的復(fù)合功能層。這一復(fù)合功能層如同為錫基鈣鈦礦“量身定制”的生長模板，一方面大幅改善了錫基鈣鈦礦溶液在表面的鋪展能力，引導(dǎo)形成高質(zhì)量、低缺陷的錫基鈣鈦礦薄膜；另一方面，它具備了卓越的空穴提取和界面鈍化能力，讓光生電流能夠更高效地輸出。
“雙層空穴傳輸層”誘導(dǎo)高質(zhì)量錫基鈣鈦礦薄膜
這一創(chuàng)新設(shè)計帶來了令人振奮的結(jié)果。研究團隊制備的錫基鈣鈦礦太陽能電池實現(xiàn)了經(jīng)第三方權(quán)威認證的世界紀(jì)錄光電轉(zhuǎn)換效率。更值得一提的是，由于徹底擺脫了不穩(wěn)定的PEDOT:PSS材料，電池的穩(wěn)定性實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。實驗表明，封裝后的器件在連續(xù)運行數(shù)月后，性能幾乎保持不變，解決了錫基鈣鈦礦領(lǐng)域最棘手的不穩(wěn)定難題。
更令人欣喜的是，這一技術(shù)突破并非停留在實驗室層面。團隊同步開展了大面積電池制備與可擴展性研究，通過優(yōu)化溶液工藝與薄膜沉積方法，成功制備出數(shù)平方厘米級的高質(zhì)量錫基鈣鈦礦薄膜，實現(xiàn)了在大面積器件上的紀(jì)錄級效率。這一成果表明，該技術(shù)具備優(yōu)異的可放大性和工程兼容性，為未來產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)。
光電轉(zhuǎn)換性能
復(fù)旦大學(xué)博士研究生李天朋為第一作者，上海交通大學(xué)戚亞冰教授、復(fù)旦大學(xué)梁佳青年研究員、南京理工大學(xué)徐勃教授為該論文共同通訊作者。其他合作單位還包括同濟大學(xué)、東華大學(xué)等。該研究工作得到了來自上海交通大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、南京理工大學(xué)、國家自然科學(xué)基金等項目的支持。
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