太陽能電池是實現(xiàn)清潔能源的重要途徑,但傳統(tǒng)硅基太陽能電池的效率受材料特性限制,無法充分利用所有光譜。 近年來,鈣鈦礦太陽能電池憑借其高效、低成本和制備工藝簡單等優(yōu)點,成為具潛力的下一代光伏技術(shù)之一。然而,鈣鈦礦材料的穩(wěn)定性問題一直是制約其大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸。
近期,中國科學(xué)院化學(xué)研究所胡勁松研究員領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊在Energy & Environmental Science 期刊上發(fā)表了一篇重要研究成果。 他們巧妙地利用可調(diào)節(jié)的膦配體對鈣鈦礦/聚合物界面進行分子調(diào)控,成功地提高了鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩(wěn)定性,突破了此前紀(jì)錄,將器件效率提升至25.08%!
胡勁松研究員,現(xiàn)任中國科學(xué)院化學(xué)研究所研究員,博士生導(dǎo)師。 他長期致力于有機光電材料和器件、鈣鈦礦太陽能電池等方面的研究,在國際重要學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表SCI論文300余篇,被引用20000多次,獲授權(quán)發(fā)明40余項。 他的研究團隊在鈣鈦礦太陽能電池領(lǐng)域做出了突出貢獻,曾獲國家自然科學(xué)獎二等獎等重要獎項。
【分子調(diào)控技術(shù):破解鈣鈦礦太陽能電池性能瓶頸的關(guān)鍵】
該團隊的研究主要針對鈣鈦礦/聚合物界面處的嚴(yán)重復(fù)合損失問題。 聚(3-己基噻吩)(P3HT)是一種無摻雜的空穴傳輸材料,因其對鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性提升的顯著潛力而備受關(guān)注。 但是,鈣鈦礦/P3HT 界面的嚴(yán)重復(fù)合損失,一直是阻礙器件效率提升的重要瓶頸。
該研究團隊創(chuàng)新性地開發(fā)了一種利用可調(diào)節(jié)的膦配體來修飾鈣鈦礦/P3HT 界面的分子工程策略。 他們發(fā)現(xiàn),具有平衡電子性質(zhì)和空間結(jié)構(gòu)的膦配體可以與鈣鈦礦形成強烈的結(jié)合作用, 不僅能鈍化鈣鈦礦深能級反位缺陷,抑制能量損失,還能優(yōu)化能級排列,促進載流子轉(zhuǎn)移,從而顯著提升太陽能電池的開路電壓和效率。
分子調(diào)控的顯著優(yōu)勢:
有效抑制能量損失: 通過與鈣鈦礦材料的特定作用, 膦配體可以精準(zhǔn)地鈍化深能級反位缺陷,從而抑制電子-空穴復(fù)合過程,降低能量損失, 提升電池的開路電壓和轉(zhuǎn)換效率。
優(yōu)化能級排列: 膦配體可以優(yōu)化鈣鈦礦和 P3HT 之間的能級匹配, 促進載流子的轉(zhuǎn)移和收集,進而提升電池效率。
廣泛適用性: 該方法適用于各種帶隙的鈣鈦礦材料,包括 1.53 eV(CsFAPbI3)、1.7 eV(CsPbI3)和 1.9 eV(CsPbI2Br)等。
提升穩(wěn)定性: 通過改進的界面和無摻雜的空穴傳輸材料, 該研究制備的太陽能電池表現(xiàn)出穩(wěn)定性, 在加速老化條件下也展現(xiàn)了優(yōu)異的性能。
【突破效率新紀(jì)錄】
利用這種新穎的分子調(diào)控策略, 研究團隊成功制備了各種帶隙的鈣鈦礦太陽能電池, 并實現(xiàn)了顯著的效率提升: 25.08%(認(rèn)證值為 24.54%) 、21.42% 和 18.39%。
研究團隊還使用 光焱科技的 QE-R PV/太陽能電池量子效率光學(xué)儀 進行量子效率測試, 以精確地測量器件在不同光譜范圍內(nèi)的外量子效率 (EQE)。 QE-R 可以有效地揭示材料在不同光譜范圍下的光電轉(zhuǎn)化效率, 并為進一步提升器件性能提供理論依據(jù)。
胡勁松研究員帶領(lǐng)的團隊, 通過分子調(diào)控技術(shù)成功突破了鈣鈦礦太陽能電池的效率瓶頸, 為鈣鈦礦太陽能電池走向產(chǎn)業(yè)化進程奠定了基礎(chǔ)。 這一研究成果為推動太陽能光伏技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用做出了重要貢獻, 也將促進光伏材料與器件的進一步研究,為清潔能源的發(fā)展做出更大的貢獻。
總結(jié):
這項研究利用巧妙的分子調(diào)控策略,精確地調(diào)節(jié)鈣鈦礦與聚合物界面, 顯著提高了鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩(wěn)定性, 達(dá)到了新的世界紀(jì)錄。 這一創(chuàng)新性的成果為推動鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)走向產(chǎn)業(yè)化進程提供了新的解決方案。
重要技術(shù)參數(shù):
鈣鈦礦太陽能電池效率: 25.08% (認(rèn)證值為 24.54%)
關(guān)鍵技術(shù): 分子調(diào)控策略,膦配體界面調(diào)控
關(guān)鍵設(shè)備: 光焱科技的 QE-R PV/太陽能電池量子效率光學(xué)儀
參考文獻
Molecularly tailored perovskite/poly(3-hexylthiophene) interfaces for high-performance solar cells_Energy & Environmental Science 2024
【本研究參數(shù)圖】
Fig S2d. . Simulated interaction model between phosphine ligands and Pb
Fig S5. Photovoltaic parameters analysis of reported high-efficiency PSCs
Fig S11. Tauc plots of (A) CsPbI2Br and (B) CsPbI2Br/PP3 films。
Fig S16. J-V curves of CsPbI2Br PSCs with different PP3 concentrations。
Fig. S17. J-V curves of the CsPbI2Br PSC measured at different scan directions.
上述研究數(shù)據(jù)來自光焱科技 _ QE-R 光伏/太陽能電池 EQE 完整解決方案
推薦設(shè)備
QE-R 光伏 / 太陽能電池量子效率測量解決方案
文獻參考自Energy & Environmental Science 2024, DIO: 10.1039/D4EE02251C
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