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福建物構(gòu)所鈣鈦礦太陽能電池研究獲進展

2021-07-08 11:23  來源:福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所  瀏覽:  

缺陷鈍化是提升鈣鈦礦太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率與穩(wěn)定性的有效方法。路易斯堿是鈣鈦礦太陽能電池常用的鈍化添加劑之一,被定義具有C=O、S=O、P=O、-CN等吸電子官能團的有機小分子,是給予外界電子的電子對供體。在傳統(tǒng)的路易斯堿上添加質(zhì)子官能團(-OH、-NH等)的分子顯示出比純路易斯堿更高效的鈍化效果,但其詳細的作用機理尚未被研究與證明。理論計算證明,表面活性氧(超氧離子O2-)對鈣鈦礦薄膜與器件的穩(wěn)定性造成損害,而目前幾乎沒有針對預防超氧降解鈣鈦礦過程的鈍化分子的相關(guān)實驗研究。

中國科學院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所功能納米結(jié)構(gòu)設(shè)計與組裝/福建省納米材料重點實驗室研究員高鵬將路易斯堿官能團與質(zhì)子官能團于聚芳香共軛分子上進行組合,得到純路易斯堿體系分子9CN-PMI與路易斯堿/質(zhì)子體系分子4OH-NMI,并將其引入到鈣鈦礦前驅(qū)體溶液中,制備出鈍化之后的鈣鈦礦薄膜與器件。對兩種不同類型分子的表征對比顯示,具有路易斯堿/聚芳香共軛/質(zhì)子結(jié)構(gòu)的分子4OH-NMI可起到更優(yōu)異的化學鈍化(Chemical passivation)作用,其所擁有的C=O/-OH官能團體系能夠有效鈍化正負電荷缺陷與鉛團簇,鈍化劑的-OH可以通過氫鍵與I-相互作用,從而促進C=O基團與反位Pb2+缺陷的相互結(jié)合,使鈍化效果最大化。理論計算與穩(wěn)定性測試證明,4OH-NMI具有更加顯著的能帶鈍化(Energetic passivation)作用,即鈍化分子產(chǎn)生良性的中間能隙態(tài),該能隙態(tài)位于O2產(chǎn)生的電子陷阱態(tài)之上,能夠搶在O2之前捕獲鈣鈦礦上的光激發(fā)電子,避免超氧離子的形成,進而提高鈣鈦礦器件的穩(wěn)定性。此外,研究還發(fā)現(xiàn),4OH-NMI與9CN-PMI的加入可以提高鈣鈦礦前驅(qū)體溶液的粘度,從而顯著增加鈣鈦礦膜的厚度以實現(xiàn)更高的光收集效率。4OH-NMI鈍化后的鈣鈦礦電池效率達23.7%,且表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。

相關(guān)研究成果發(fā)表在Advanced Materials上。

缺陷態(tài)密度,非輻射復合,表面形貌的相關(guān)表征;穩(wěn)定性測試及超氧理論計算

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