能源光电材料与器件课题组
​​​​​​​​​ Tan Research Group, Nanjing University
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课题组在钙钛矿太阳电池的光稳定性研究取得重要进展
来源: | 作者:HaowenLuo | 发布时间: 2022-04-25 | 573 次浏览 | 分享到:

近日,南京大学现代工程与应用科学学院谭海仁教授团队发表了提升宽带隙钙钛矿太阳电池光稳定性的最新研究成果该成果以《Steric engineering enables efficient and photostable wide-bandgap perovskites for all-perovskite tandem solar cells》为题,于2022年4月19日在Advanced Materials上发表(https://doi.org/10.1002/adma.202110356)。

进一步提高太阳能电池的光电转换效率,降低光伏发电成本,是实现“双碳”目标的必行之路。钙钛矿/钙钛矿(或称“全钙钛矿”)叠层电池兼备高效率和低成本的突出优点,在国际上备受关注且发展迅速,是一种新兴的光伏技术。宽带隙钙钛矿顶电池、窄带隙钙钛矿底电池和隧穿结是构建全钙钛矿叠层电池的三个核心部分。作为顶电池,宽带隙钙钛矿的稳定性与效率是叠层电池性能的关键核心点之一。全钙钛矿叠层电池所需最优的顶电池带隙在1.8 eV左右,需要高达40%的溴(Br)引入。高Br组分在光照下会发生潜在的相分离现象,制约了宽带隙钙钛矿电池的稳定性与效率。

为解决上述瓶颈,谭海仁教授团队通过空间位阻调控,实现了光照稳定的高效率宽带隙钙钛矿电池。在双元混合阳离子混合阴离子(FACs/IBr)组分基础上,通过进一步在A位引入二甲基铵阳离子(DMA)以及在X位引入氯离子(Cl),可以协同调控带隙并将Br含量降低至25%(图1a)。研究团队发现,宽带隙钙钛矿的光致相分离现象不仅与Br含量相关,而且还跟薄膜的晶格应变息息相关。通过A位与X位的三元离子协同调控作用(图1b),优化后的组分光照稳定性大幅提升,稳态荧光光谱在强光激发(强度等同10 个太阳光照强度)下保持稳定不变。

DMA和Cl的同时引入,除了调控带隙外,还同时降低了薄膜的晶格应变和和载流子非辐射复合,实现了宽带隙钙钛矿电池性能的大幅提升(Voc = 1.26 V, PCE = 17.7%)(图2a)。在长期工作1000 h后还保持着90%以上的初始光电转换效率(图2b),基于宽带隙子电池性能的提升,叠层电池的效率提升至26%(图2c-d)。该工作为多结光伏器件中制备高效稳定的宽带隙子电池提供了重要指导方向。

图1. 空间位阻工程实现带隙(a)和光稳定性(b)的协同调控。

图2. (a)宽带隙单结电池J-V曲线;(b)在最大功率点下长期工作稳定性;(c-d)全钙钛矿叠层电池J-V曲线和EQE曲线。


南京大学现代工程与应用科学学院19级直博生闻瑾、德国纽伦堡大学博士后赵怡程为本工作的共同第一作者,现工院谭海仁教授为论文的通讯作者,南京大学为论文第一单位。该研究工作得到了南京大学化学院谢劲教授、田玉玺教授以及德国纽伦堡大学Christoph Brabec教授的指导与支持。本工作也得到了国家自然科学基金、科技部国家重点研发计划、教育部前沿科学中心、江苏省自然科学基金、中央高校基本科研业务费等项目的资助,以及固体微结构物理国家重点实验室、关键地球物质循环前沿科学中心等平台的大力支持。