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【能源】“榫卯结构”钙钛矿太阳能电池

X-MOL资讯 · 公众号 · · 2023-06-17 22:43

正文

注：文末有 研究团队简介 及本文作者 科研思路分析

目前，钙钛矿太阳能电池的功率转换效率不断刷新，其效率迅速从3.8%提升至26%，但是仍远低于其肖克利-奎瑟（S-Q）极限最大理论效率。急需解决两个主要问题，包括钙钛矿的无序结晶和不平衡的界面电荷提取，这限制了器件效率的进一步提升。

针对上述问题，近日， 南京工业大学黄维&秦天石&王芳芳 团队于 Nature Communications 报道使用 自聚合型添加剂N-乙烯基-2-吡咯烷酮（NVP）作为钙钛矿聚合物模板 ，在经过常规空穴传输层（HTL）氯苯溶液旋涂工艺后，可以有效去除残留在钙钛矿晶界中的杂相、形成大尺寸钙钛矿晶粒，从而抑制缺陷相关的非辐射复合。此外，令人惊喜的是钙钛矿/HTL复合薄膜形成了 新型的“榫卯”（M-T）结构 ，为钙钛矿和HTL之间提供了更大的接触面积，更有利于空穴提取，促进器件电荷提取平衡。基于钙钛矿薄膜高质量的结晶和独特的榫卯结构，有效提高了钙钛矿太阳能电池的电压和填充因子，器件的认证效率达到了24.55 %（反向扫描）和24.25 %（正向扫描）。封装的太阳能电池表现出了优异的稳定性，在湿度85 %和温度85 °C（ISOS-D-3 protocol）的条件下，加速老化1100小时后，保持了初始效率的90 %以上；在温度65 °C下，连续光照（ISOS-L-2 protocol）1100小时后，保持了初始效率的95 %以上。此外，基于NVP纯溶剂制备的钙钛矿薄膜可以在开水蒸气中仍能保持黑相，未封装器件可以在双85（湿度85 %和温度85 °C）条件下600分钟后，仍保持了其初始效率80 %以上。

王芳芳 副教授为论文第一作者， 秦天石 教授、黄维院士为论文的通讯作者。该工作得到了中国国家自然科学基金、江苏省自然科学基金等项目的支持。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Monolithically-grained perovskite solar cell with Mortise-Tenon structure for charge extraction balance

Fangfang Wang, Mubai Li, Qiushuang Tian, Riming Sun, Hongzhuang Ma, Hongze Wang, Jingxi Chang, Zihao Li, Haoyu Chen, Jiupeng Cao, Aifei Wang, Jingjin Dong, You Liu, Jinzheng Zhao, Ying Chu, Suhao Yan, Zichao Wu, Jiaxin Liu, Ya Li, Xianglin Chen, Ping Gao, Yue Sun, Tingting Liu, Wenbo Liu, Renzhi Li, Jianpu Wang, Yi-bing Cheng, Xiaogang Liu, Wei Huang & Tianshi Qin

Nat. Commun ., 2023 , 14 , 3216, DOI: 10.1038/s41467-023-38926-3

黄维院士简介

黄维院士，中共党员，新加坡归侨，中国科学院院士、美国工程院外籍院士、俄罗斯科学院外籍院士、亚太材料科学院院士、东盟工程与技术科学院外籍院士、巴基斯坦科学院外籍院士、欧亚科学院院士。西北工业大学教授，有机电子、塑料电子、生物电子、印刷电子、能源电子、健康电子、智能电子和柔性电子学家，有机电子与信息显示国家重点实验室主任，柔性电子国家重点实验室培育建设点主任，柔性电子基础（前沿）科学中心首席科学家。教育部“国家重要人才”特聘教授，国家“杰出青年科学基金”获得者，国家“973”项目首席科学家，国家重点研发计划首席科学家，国家变革性技术专项首席科学家，国家哲学社会科学重大招标项目首席专家。陕西省人民代表大会常务委员会委员、财政经济委员会副主任。中国科学技术协会旗舰期刊—— Research 主编、自然出版集团合作期刊—— npj Flexible Electronics 主编。亚太地区工程组织联合会（FEIAP）主席、世界工程组织联合会执行委员兼主席高级顾问。俄罗斯科学院名誉博士、英国谢菲尔德大学名誉博士、南非约翰内斯堡大学名誉博士，英国皇家化学会会士、美国光学学会会士、国际光学工程学会会士、新加坡化学会会士。获得两项国家自然科学奖二等奖、四项高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）自然科学奖一等奖、一项何梁何利“科技进步奖”、六项江苏省科学技术奖及两项中国电子学会自然科学奖一等奖，成果两次入围“中国高等学校十大科技进展”和中国半导体十大研究进展等。

https://www.x-mol.com/university/faculty/211016

秦天石教授简介

秦天石，柔性电子（未来技术）学院副院长，南京工业大学教授，博士生导师，国家高层次人才（青年）计划入选人，国家重点研发计划《8.5代印刷 OLED显示产业化示范》课题负责人。本科毕业于南京大学化学系，随后在德国获得哈勒维滕贝格大学应用高分子学硕士和德国美茵茨大学化学博士学位。2006-11年在德国马克思普朗克高分子研究所Klaus Müllen课题组从事科研工作，2011-16年在澳大利亚联邦科学与工业研究院从事印刷柔性光伏电池的研发工作，先后参与了澳洲联邦政府与维多利亚州政府的有机光伏电池重大研究项目，负责核心印刷光伏材料的设计与制备。期间开发出多种印刷光伏墨水并获多项国际专利授权，本人所开发的印刷柔性有机光伏电池于2014年澳洲G20峰会公开展示。2017年加入南京工业大学，长期从事有机光电材料的设计与制备及其在大面积印刷柔性光电器件的应用研究。在 Nat. Commun. J Am Chem Soc, Angew Chem Int Ed, Energ Environ Sci, Adv Mater, Adv Energy Mater, Nano Energy 等期刊发表论文20余篇，他引1000余次，其中ESI高被引论文7篇。

https://www.x-mol.com/university/faculty/50084

王芳芳副教授简介

王芳芳，柔性电子（未来技术）学院副教授，硕士生导师。2009年，博士毕业于吉林大学超分子国家重点实验室师从马於光院士，随后在中科院长春应用化学研究所王鹏教授课题组从事研究工作。2017年8月，加入南京工业大学。长期从事有机光电材料的合成（有机小分子、聚合物功能材料）与钙钛矿太阳能电池制备的相关研究。以第一或通讯作者身份在 Nature Communications., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct. Mater. 等国际期刊上发表论文20余篇。

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：我们课题组的主要研究方向是新型光电材料的开发、钙钛矿基础科学的探索和高效钙钛矿太阳能电池的制备领域，目前钙钛矿电池产业化瓶颈主要是钙钛矿电池转换效率相对晶硅电池仍然较低，其次是钙钛矿电池环境不稳定性，钙钛矿电池会与水、氧发生反应，潮湿环境中极易快速降解，传统晶硅电池可持续发电20-25年，而钙钛矿电池因其不稳定性难以持续长时间发电。针对上述问题我们从钙钛矿和电荷传输层之间的电荷提取不平衡、钙钛矿的无序结晶这两个主要影响钙钛矿器件效率的问题以及提高钙钛矿环境稳定性的角度出发，我们使用了热聚合添加剂N-乙烯-2-吡咯烷酮(NVP)作为钙钛矿薄膜中的聚合物模板，然后使用传统的空穴传输层（HTL）/氯苯(CB)溶液旋涂工艺来去除残留的杂相，形成高质量结晶钙钛矿颗粒，从而抑制非辐射复合。钙钛矿/HTL复合薄膜形成了新型的“榫卯”（M-T）结构，为钙钛矿和HTL之间提供了更大的接触面积，更有利于空穴提取，促进器件电荷提取平衡并且聚合后可以大幅度提高太阳能电池的稳定性。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：事实上，实现双85（湿度85 %和温度85 °C）条件下的器件稳定性，对于所有从事钙钛矿太阳能电池的研究工作者都是一个很大的挑战，也是我们力争的目标。在此工作中，我们通过调控NVP添加剂的浓度，实现了大尺寸钙钛矿晶粒和独特的榫卯结构，封装器件在双85条件下表现出优异的稳定性，加速老化1100小时后，保持了初始效率的90 %以。此外，在双85条件下基于NVP纯溶剂制备的未封装器件，600分钟后仍保持其初始效率80 %以上。

【能源】“榫卯结构”钙钛矿太阳能电池

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