《自然》發(fā)文！西安交大在鈣鈦礦太陽能電池研究領(lǐng)域取得重大突破

　　近年來，作為光伏領(lǐng)域的新興技術(shù)，鈣鈦礦太陽能電池以優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)化效率和低溫溶液加工特性，被視為下一代光伏技術(shù)的戰(zhàn)略制高點。然而，如何在保持高轉(zhuǎn)換效率的同時，確保電池的長期穩(wěn)定性，始終是制約鈣鈦礦太陽能電池商業(yè)化應(yīng)用的重大挑戰(zhàn)。
 

　　針對這一問題，西安交通大學(xué)物理學(xué)院梁超研究員(楊生春和楊志懋教授團(tuán)隊)通過分子界面工程，首創(chuàng)了一種內(nèi)嵌金屬富勒烯分子Nd@C82與聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的耦合結(jié)構(gòu)，對鈣鈦礦層進(jìn)行原位封裝，有效提高了鈣鈦礦太陽能電池的效率與穩(wěn)定性。所制備的倒置型鈣鈦礦光伏太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)分別為26.78%(0.08cm2)(認(rèn)證值為26.29%)和23.08%(16cm2，模塊)，在濕熱測試條件(ISOS-D-3標(biāo)準(zhǔn))下經(jīng)過1000小時效率仍保持在99%以上。這一創(chuàng)新成果揭示了一種分子界面極化調(diào)控新機(jī)制，將為高性能鈣鈦礦太陽能電池設(shè)計開發(fā)提供新路徑。
 

　　該研究的核心創(chuàng)新點在于利用內(nèi)嵌金屬富勒烯分子Nd@C82作為電磁耦合傳輸介質(zhì)，可通過界面極化增強(qiáng)電子提取能力和效率，進(jìn)而耦合聚合物PMMA使該界面兼具了優(yōu)異結(jié)構(gòu)保護(hù)性能和超快電子選擇傳輸特性，確保了電池中均質(zhì)且超快電子提取，從而兼顧超快電子提取和原位封裝的特點，促進(jìn)均勻的電子提取并抑制離子相互擴(kuò)散，最終顯著提升了鈣鈦礦太陽能電池在高溫、高濕等復(fù)雜環(huán)境下的PCE和運行壽命，拓展了其在戶外及實際應(yīng)用場景中的發(fā)展?jié)摿Α?br /> 

　　該研究成果以《Nd@C82-聚合物界面應(yīng)用于高效穩(wěn)定鈣鈦礦太陽能電池》(“A Nd@C82-polymer interface for efficient and stable perovskite solar cells”)為題于4月8日在《自然》(Nature)期刊上在線發(fā)表。西安交通大學(xué)物理學(xué)院博士研究生林越辛、水源、朱文靜，西安交通大學(xué)化學(xué)學(xué)院碩士研究生呂世麗，福建農(nóng)林大學(xué)林智超博士為論文共同第一作者；物理學(xué)院梁超研究員、楊生春教授、楊濤研究員，化學(xué)學(xué)院蔡文婷研究員(丁書江教授團(tuán)隊)，澳門大學(xué)邢貴川教授，河南大學(xué)李萌教授為論文通訊作者；西安交通大學(xué)物理學(xué)院為本論文第一完成單位。論文得到了西安交通大學(xué)分析測試中心在材料結(jié)構(gòu)測試與分析方面提供的大力支持，特別是郭航、梁艷、周國慶和張楊提供了相關(guān)表征和分析支持。本研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、西安交通大學(xué)青年拔尖人才支持計劃和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金等項目的資助。
 

　　圖1 內(nèi)嵌金屬富勒烯Nd@C82-聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)耦合層助力超快電子提取和離子擴(kuò)散抑制。(a)C60，Nd@Cs(6)-C82，以及Nd@C2v(9)-C82的分子結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的電子局域化函數(shù)(ELF)。(b)鈣鈦礦/富勒烯的電荷密度差分布(CDD)。(c)計算出的不同富勒烯電子電導(dǎo)率。(d)具有Nd@C82-PMMA耦合層的倒置鈣鈦礦太陽能電池(PSC)的器件結(jié)構(gòu)示意圖。(e)橫截面飛行時間二次離子質(zhì)譜圖。

 

　　圖2 具有Nd@C82-PMMA耦合層鈣鈦礦薄膜的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)。(a-c)鈣鈦礦薄膜、鈣鈦礦/C60薄膜和鈣鈦礦/Nd@C82/C60薄膜的表面電勢圖。(d-f)鈣鈦礦薄膜、鈣鈦礦/C60薄膜和鈣鈦礦/Nd@C82/C60薄膜的表面電勢變化。(g-i)鈣鈦礦薄膜、鈣鈦礦/C60薄膜和鈣鈦礦/Nd@C82/C60薄膜的光致發(fā)光掃描成像圖。

 

　　圖3 Nd@C82-PMMA耦合層用于平衡電荷載流子傳輸。(a)鈣鈦礦薄膜、對照組薄膜(鈣鈦礦/C60)和Nd@C82(鈣鈦礦/Nd@C82/C60)薄膜的光致發(fā)光光譜圖。(b)鈣鈦礦薄膜、對照組薄膜(鈣鈦礦/C60)和Nd@C82(鈣鈦礦/Nd@C82/C60)薄膜的時間分辨熒光光譜圖。(c)鈣鈦礦/C60薄膜、鈣鈦礦/自組裝單層(SAM)薄膜、鈣鈦礦/Nd@C82/C60薄膜的時間分辨熒光光譜圖。(d)鈣鈦礦和電子傳輸層之間的能帶排列。(e-f)能帶排列示意圖。

 

　　圖4 基于Nd@C82制備器件的光伏性能。(a)最優(yōu)的對照組和基于Nd@C82制備器件的J-V曲線。(b)從J-V曲線中獲得的光電轉(zhuǎn)換效率值的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。(c)基于Nd@C82制備的最優(yōu)模組的J-V曲線。(d)最優(yōu)模組的最大功率點輸出曲線。(e)基于ISOS-D-2I測試協(xié)議下器件的穩(wěn)定性。(f)基于ISOS-L-3測試協(xié)議下器件的穩(wěn)定性。