在短短十年內(nèi)，基于金屬鹵化物鈣鈦礦的太陽能電池功率轉(zhuǎn)換效率就從起初的3.8%上升到25.2%，超過其他類型的薄膜太陽能電池。
然而，要論實(shí)際應(yīng)用，該類材料的熱穩(wěn)定性差是個(gè)核心難題。
近日，復(fù)旦大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院詹義強(qiáng)、鄭立榮和瑞士洛桑聯(lián)邦理工大學(xué)（EPFL）合作實(shí)現(xiàn)了一種室溫穩(wěn)定的鈣鈦礦材料，并且制備出了光電轉(zhuǎn)換效率超過23%的高效穩(wěn)定太陽能電池。
相關(guān)論文于10月2日發(fā)表在世界頂級學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》（Science）上，題為《氣氛輔助制備高效高穩(wěn)定黑相甲脒鉛碘鈣鈦礦太陽能電池》（Vapor-assisted deposition of highly efficient, stable black-phase FAPbI3 perovskite solar cells）。
鈣鈦礦是指一類分子通式為ABX3的晶體，通常為立方體或八面體結(jié)構(gòu)。鈣鈦礦型金屬鹵化物已經(jīng)在太陽能光伏電池、發(fā)光二極管（LED）、激光器和光電探測器等研究領(lǐng)域嶄露頭角。其中，α黑相甲脒鉛碘(FAPbI3)鈣鈦礦具有相對良好的熱穩(wěn)定性和接近理想帶隙等特點(diǎn)，被視作離實(shí)用最近的“候選人”。
然而， FAPbI3在150°C以下會(huì)“翻臉”，從光活性的黑相（a相）轉(zhuǎn)變成非光活性的黃相（d相），造成材料降解及電池性能衰減。雖然通過摻雜混合等方式可以得到室溫穩(wěn)定的a-FAPbI3薄膜，但是在實(shí)際工作條件下，材料會(huì)出現(xiàn)相分離以及吸收譜藍(lán)移等問題。
為了解決獲得穩(wěn)定的純a-FAPbI3薄膜這一國際難題，復(fù)旦和瑞士這個(gè)聯(lián)合團(tuán)隊(duì)深入研究FAPbI3的相變機(jī)理，創(chuàng)新性地開發(fā)了一種基于硫氰酸甲銨（MASCN）蒸汽或硫氰酸甲脒（FASCN）蒸汽的氣相輔助生長技術(shù)。該技術(shù)能在較低退火溫度下（100°C）將FAPbI3從黃相完全轉(zhuǎn)化為黑相，并保持長期穩(wěn)定。非光活性的黃相在MASCN蒸汽或FASCN蒸汽下轉(zhuǎn)換為光活性的黑相
非光活性的黃相在MASCN蒸汽或FASCN蒸汽下轉(zhuǎn)換為光活性的黑相
原來，SCN-離子會(huì)優(yōu)先吸附于黃相FAPbI3表面，由于Pb2+與S之間存在強(qiáng)親和力作用，SCN-離子取代了與Pb2+成鍵的I離子，將d相FAPbI3面共享八面體結(jié)構(gòu)的頂層瓦解，自上而下，將黃相FAPbI3完全轉(zhuǎn)化為黑相FAPbI3。
即使經(jīng)過500小時(shí)的85°C退火實(shí)驗(yàn)測試中，基于新技術(shù)制作的a-FAPbI3薄膜保持純黑相，呈現(xiàn)出優(yōu)秀的熱穩(wěn)定性。
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步用低缺陷密度的a-FAPbI3薄膜制作出鈣鈦礦太陽能電池，其光電轉(zhuǎn)化效率可超過23%，具備低開路(330 mV)電壓損失、低電致發(fā)光啟動(dòng)電壓（0.75V）的特性，且在最大功率點(diǎn)追蹤500小時(shí)后，依然保持原有性能的90%以上。
復(fù)旦大學(xué)新聞網(wǎng)報(bào)道稱，該項(xiàng)突破為鈣鈦礦材料在高效輕質(zhì)光伏電池、新型LED和其它光電器件系統(tǒng)等應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，對太陽能清潔能源的泛在利用、新型柔性大面積光電器件與系統(tǒng)、以及智能機(jī)器人自主供電等具有重要意義。
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