钙钛矿太阳能电池又发science

虚谷纳物 2年前 (2022-11-18) 1628浏览

一、 导读

卤化物钙钛矿材料具有无限的组成空间，具有可调的电子和光学性能。尽管钙钛矿太阳能电池具有很高的功率转换效率(PCE)，但其有限的器件寿命仍然是商业化的一个重大挑战。混合阳离子和阴离子的使用使得晶体的容差系数更合适，从而提高了结构稳定性，并增加了合成吸收膜的化学稳定性。然而，混合钙钛矿吸收剂经常发生元素和相偏析，这可能会降低器件效率和使用寿命。大多数关于混合钙钛矿相分离的研究都集中在薄膜老化方面，以了解阳离子和阴离子的迁移、纳米簇的形成和发展、热力学驱动力以及它们对薄膜性能和器件性能的影响。然而，相关的单个离子的原子聚集以及关联它们导致薄膜降解的集体行为的研究相对匮乏。谢林模型连接了钙钛矿中阳离子聚集的微观分析和其相分离和膜降解的宏观观察，适用于混合卤化物钙钛矿等多种钙钛矿。将其应用于高性能太阳能电池杂化卤化物钙钛矿中使用阳离子和阴离子混合物的元素和相分离的研究，可为提高电池寿命提供了新的科学理解和思路。

二、成果掠影

近日，来自北京理工大学材料科学与工程学院先进材料实验中心的陈棋教授团队采用谢林的偏析模型来研究单个阳离子的迁移，发现初始膜的不均匀性加速了材料的降解。本工作制备了钙钛矿膜(FA1-xCsxPbI3;其中FA为甲酰胺)，通过添加硒吩，导致均匀的阳离子分布，阻碍了材料加工和设备运行中的阳离子聚集。在1次太阳光照下，在3190小时的最大功率输出后，合成的装置很好的提高了的转化效率，并保持了初始效率的91%。其主要原因为初始FACsPb(Br0.13I0.87)3吸收剂延长了器件的使用寿命。相关成果以“Initializing film homogeneity to retard phase segregation for stable perovskite solar cells”为题发表在国际顶级综合期刊Science上。

三、核心创新点

(1) 采用谢林偏析模型发现初始薄膜的不均匀性加速了材料的降解；

(2) 在钙钛矿薄膜（FA1–xCsxPbI3；其中 FA 是甲脒）中添加硒吩，使器件实现了更高的效率并保持了其大于91%初始效率；

四、数据概览

图1 二元FACs钙钛矿的降解机理

图2 阳离子偏析动力学的谢林模型模拟

图3 混合阳离子钙钛矿膜的均匀性及其影响

图4 混合卤化物钙钛矿膜的均匀性及其影响

五、成果启迪

基于谢林模型理论分析，可以在原子尺度上观察连接过氧化物的相分离和薄膜降解。由此本文观察到初始薄膜的均匀性对薄膜和器件的稳定性有很大影响。通过调整前体化学与硒的关系，本文开发了高温能够在高温下具有优异稳定性的优异钙钛矿太阳能器件。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn3148

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