無機鈣鈦礦電池性能

有機-無機金屬鹵化鈣鈦礦太陽電池因具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率而受到廣泛關(guān)注，近年來發(fā)展迅速，成為光伏領(lǐng)域的研究熱點，但由于鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)中有機陽離子與碘鉛八面體之間作用力較弱，致使該材料在外界條件刺激下容易分解，制約其進(jìn)一步發(fā)展。相比之下，全無機鈣鈦礦材料(CsPbX3, X=I, Br)因其優(yōu)異的熱穩(wěn)定性成為鈣鈦礦電池領(lǐng)域的新興研究熱點，然而基于無機鈣鈦礦材料的光伏器件內(nèi)部非輻射復(fù)合較為嚴(yán)重，因此其光電性能仍具有較大提升空間。為了提高無機鈣鈦礦電池光電轉(zhuǎn)換效率，積極發(fā)展無機鈣鈦礦性能調(diào)控策略，該團隊劉生忠和王開等人采用不同策略抑制器件內(nèi)部電子復(fù)合。一般情況下，器件內(nèi)非輻射復(fù)合可分為界面復(fù)合和鈣鈦礦薄膜內(nèi)非輻射復(fù)合兩部分。針對界面復(fù)合，該團隊采用鑭系金屬溴化物修飾電子傳輸層/鈣鈦礦界面，從而在界面處形成梯度式能帶結(jié)構(gòu)，達(dá)到抑制界面電子復(fù)合的目的，同時界面修飾可通過強化功能層間相互作用來促進(jìn)電子動力學(xué)過程。基于該策略，該團隊將基于CsPbIBr2的鈣鈦礦電池性能提高到10.88%，處于此領(lǐng)域較高水平;針對鈣鈦礦薄膜內(nèi)非輻射復(fù)合，該團隊采用金屬鋇離子摻雜的策略來抑制這一過程，在研究中發(fā)現(xiàn)，雖然鋇離子半徑不滿足Goldscht幾何規(guī)律的要求，但其仍然可以改善鈣鈦礦材料光電性能，并提高器件穩(wěn)定性。該研究表明鈣鈦礦材料對金屬雜離子具有較高的容忍度。以上工作為無機鈣鈦礦性能調(diào)控提供了依據(jù)，在一定程度上推進(jìn)了無機鈣鈦礦電池的發(fā)展。

該工作得到國家重點研究與發(fā)展計劃、中央高校基礎(chǔ)研究基金、國家自然科學(xué)基金、遼寧省博士啟動基金、111項目、長江學(xué)者創(chuàng)新團隊項目等的資助。

另外，中科院化學(xué)所綠色印刷院重點實驗室也在鈣鈦礦電池領(lǐng)域取得進(jìn)展。

近年來，基于鉛的有機/無機雜化鈣鈦礦材料受到了極大的關(guān)注，成為太陽電池研究的熱點方向，其最高光電轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到23%。然而，由于這類材料結(jié)晶性強，利用常規(guī)的溶液涂布方法和采用常用的鈣鈦礦前驅(qū)體，很難控制鈣鈦礦薄膜的成核和結(jié)晶，導(dǎo)致薄膜的覆蓋度低和光伏器件性能重復(fù)性差，可能制約著其進(jìn)一步的推廣應(yīng)用。

在國家自然科學(xué)基金委的支持下，中科院化學(xué)所綠色印刷院重點實驗室科研人員在前期染料敏化太陽電池研究基礎(chǔ)上，針對目前鈣鈦礦溶液涂布存在的問題，利用固-氣反應(yīng)方法，通過有機陽離子交換途徑制備高質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜，光伏器件性能得到顯著提高。

最近該研究團隊通過固-氣反應(yīng)實現(xiàn)了一維HAPbI3(HA=N2H4+)到三維非鉛類錫鈣鈦礦MASnI3(MA=CH3NH3+)的轉(zhuǎn)變。由于這種一維鈣鈦礦前驅(qū)體具有良好的成膜性，固-氣反應(yīng)后的三維鈣鈦礦薄膜在二氧化鈦基底上具有很好的覆蓋度。更重要的是，在陽離子置換過程中，由內(nèi)部置換產(chǎn)生的肼氣體可以有效地原位還原薄膜內(nèi)部可能存在的四價錫，顯著降低薄膜中載流子濃度，從而改善光生載流子輸運。利用這種錫鈣鈦礦薄膜作為光吸收層，采用典型的二氧化鈦介孔結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦電池在一個標(biāo)準(zhǔn)太陽光下的光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)到7.13%。

延伸閱讀——

鈣鈦礦簡介

與傳統(tǒng)的太陽能電池不同，鈣鈦礦太陽能電池采用有機金屬鹵化物作吸光材料，這也是鈣鈦礦太陽能電池的核心材料，代替了染料敏化太陽能電池中的染料分子和有機薄膜太陽能電池中的吸光層。目前在高效鈣鈦礦太陽能電池中，最常見的鈣鈦礦材料為碘化鉛甲胺(CH3NH3PbI3)，其帶隙約為1.5 eV。因此，從廣義上講，鈣鈦礦太陽能電池使用了具有鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)的有機金屬鹵化物的一種太陽能電池技術(shù)。

鈣鈦礦太陽能電池優(yōu)缺點簡析

鈣鈦礦太陽能電池的原材料儲量豐富，制備工藝簡單，有利于商業(yè)化生產(chǎn)。其中，鈣鈦礦層具有低的結(jié)晶能，可以通過低溫液相法或氣相沉積法得到缺陷密度低的高質(zhì)量納米晶薄膜。此外，可以通過改變材料的組分來調(diào)節(jié)帶隙寬度，從而滿足不同的使用場景。因此，與現(xiàn)有的成熟晶硅太陽能電池技術(shù)相比極具優(yōu)勢，也為鈣鈦礦太陽能電池的商業(yè)化應(yīng)用帶來了樂觀的前景。

當(dāng)然，鈣鈦礦太陽能電池也有自身的缺點。這種有機金屬鹵化物鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，對濕度、紫外光和溫度等環(huán)境因素敏感。在室外環(huán)境中老化數(shù)日就顯著分解，未封裝的器件性能也隨之衰減;目前轉(zhuǎn)換效率較高的鈣鈦礦太陽能電池的尺寸均為實驗室級別，隨著電池尺寸的增加，其光電轉(zhuǎn)換效率會隨之下降;鈣鈦礦太陽能電池中一般都含有鉛元素，對人體和環(huán)境都有極大的危害。

受限于該材料自身的缺點以及大面積器件光電轉(zhuǎn)換效率較低等因素的制約，目前鈣鈦礦太陽能電池仍以實驗開發(fā)完善為主，少有幾個國內(nèi)外的公司正在嘗試鈣鈦礦太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)及應(yīng)用。