北京大學(xué)周歡萍團(tuán)隊(duì):淀粉聚離子超分子緩沖層提高鈣鈦礦太陽能電池疲勞抗性

【重點(diǎn)摘要:】

(1)周歡萍教授團(tuán)隊(duì)利用淀粉-聚碘超分子作為緩沖層,顯著改善了鈣鈦礦太陽能電池的疲勞行為和循環(huán)穩(wěn)定性。

(2)經(jīng)修改的鈣鈦礦太陽能電池在連續(xù)42個(gè)日夜循環(huán)后,發(fā)電效率可保持在98%。

(3)該研究為如何利用超分子化學(xué)調(diào)控軟晶格材料的元穩(wěn)定動(dòng)力學(xué)提供了重要見解。

【研究背景】

由于鈣鈦礦太陽能電池具有軟體和離子晶格結(jié)構(gòu),它們極易受外部刺激的影響。在循環(huán)載荷的實(shí)際環(huán)境中,電池很容易出現(xiàn)明顯的疲勞。由于缺乏對材料降解的基本理解,目前還沒有有效的方法來減輕這種循環(huán)照明下的電池疲勞。

【研究結(jié)果】

研究人員在鈣鈦礦材料的界面引入了淀粉-聚碘超分子作為雙功能緩沖層,它既可以抑制離子遷移,也可以促進(jìn)缺陷的自我修復(fù)。經(jīng)修改的鈣鈦礦太陽能電池在連續(xù)42個(gè)日夜循環(huán)后,原始的光電轉(zhuǎn)換效率可保持在98%。這種電池也達(dá)到了24.3%的光電轉(zhuǎn)換效率(認(rèn)證值為23.9%),并且具有強(qiáng)烈的電致發(fā)光,外量子效率高達(dá)12%以上。

【研究方法】

研究人員首先合成了淀粉-聚碘超分子材料,并將其作為緩沖層插入鈣鈦礦太陽能電池的載流子輸運(yùn)層與光吸收層之間。他們從多個(gè)角度分析了緩沖層的影響,包括電化學(xué)測量、光致發(fā)光譜、小角入射X射線衍射、熱重分析等,以確認(rèn)其雙功能機(jī)制。然后,他們制備了采用該緩沖層的鈣鈦礦太陽能電池,并通過42個(gè)日夜循環(huán)的加速老化試驗(yàn)考察其循環(huán)穩(wěn)定性和發(fā)電效能。結(jié)果證實(shí),緩沖層明顯提高了電池在循環(huán)載荷下的穩(wěn)定性。

【結(jié)論】

本研究通過在鈣鈦礦太陽能電池的界面引入淀粉-聚碘超分子緩沖層,顯著改善了電池的循環(huán)穩(wěn)定性和疲勞行為,為實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦太陽能電池的實(shí)際應(yīng)用提供了有效途徑。該超分子緩沖層的雙功能機(jī)制也可應(yīng)用于其他軟晶格材料的界面設(shè)計(jì)。研究結(jié)果對利用超分子化學(xué)手段調(diào)控軟晶格材料的元穩(wěn)定性具有重要啟發(fā)意義。

a,含不同濃度淀粉-碘Starch-I的w/ Starch-I裝置的J-V曲線。b,開路電壓和填充因子隨Starch-I濃度的依賴性。c,作為LED操作時(shí)裝置的EL的EQE。d,EQEEL和開路電壓隨Starch-I濃度的依賴性。

含Starch-I的w/ Starch-I裝置(a)和參考裝置(b)的J-V曲線。

外量子效率(EQE)譜及合并的JSC為24.5 mA cm-2 457 的含Starch-I裝置。