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山大团队借鉴荷叶“自清洁效应”,将单晶钙钛矿电池效率提至23.4%

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发表于 2024-2-12 18:32:45|来自:中国广东 | 显示全部楼层 |阅读模式
在解决能源安全、减少二氧化碳排放、和应对气候变化等方面,光伏电池发挥着重要作用。作为新一代光伏技术,钙钛矿太阳电池具有效率高、可溶液大面积加工等优势,有望大幅降低商用光伏器件的成本。
经过近十年发展,钙钛矿多晶电池最高效率超过 26%,非常接近晶硅电池,但其工作稳定性显著落后于晶硅电池,这也是影响其商用的关键因素之一。
尽管研究人员发展了多种提升稳定性的策略,比如优化薄膜结晶质量、修复表界面缺陷、组分调控等,但即便是具备较高效率的钙钛矿电池 T90,其工作寿命往往只有几千小时,无法满足商用需求。
钙钛矿电池效率衰减的一个关键原因是电场诱导的卤素离子迁移,这会导致材料降解和缺陷增加。而在钙钛矿多晶薄膜之中,离子迁移主要发生在富含卤素空位的晶界。
相较而言,钙钛矿单晶由于消除了晶界,其离子迁移活化得到显著提高,因此是研究以及克服钙钛矿离子迁移诱导器件降解的理想材料。
此外,高效率的单晶电池,也是研究离子迁移与器件稳定性关系的前提。钙钛矿单晶的生长一般是基于溶液法,“残留生长溶液污染晶体表面”是该方法面临的共性问题,这会严重损害材料性质和电池性能。
为了克服这一难题,山东大学教授陈召来团队借鉴荷叶“自清洁效应”,通过在晶体表面引入自组装分子层,提高了晶片的表面疏水性。从而让单晶在生长结束之时,可以自发地排除残留生长溶液,进而显著减少表面杂质。


在改善材料性质的同时,课题组还将单晶钙钛矿电池的效率提高至 23.4%,是此前单晶电池的最高效率。
总的来说,本次工作利用两亲性分子很好地解决了困扰学界已久的溶液法生长钙钛矿单晶的表面问题。


日前,相关论文以《具有自清洁表面的高效光伏用钙钛矿单晶》(Perovskite Single Crystals with Self-Cleaning Surface for Efficient Photovoltaics)为题发在 Angewandte Chemie International Edition[1],Liu Nianqiao 是第一作者,陈召来担任通讯作者。


目前,受限于生长技术的不够完善,钙钛矿晶片的尺寸仍然较小,结晶质量有待提高,表界面缺陷密度较大。陈召来表示,整体来看单晶钙钛矿电池领域面临如下几个关键科学问题:
其一,钙钛矿/负极界面的碘离子迁移;
其二,钙钛矿晶片的结晶质量较体块单晶有明显差距;
其三,钙钛矿晶片的厚度调控和表面缺陷钝化。
因此,课题组后续将围绕这些关键问题的解决来展开:即开发先进的表面缺陷钝化和界面阻挡策略,结合抛光打磨工艺来调控晶片的厚度,争取让单晶电池的填充因子达到 90%,光电转换效率超过 27%。
如能顺利解决这些关键问题,钙钛矿单晶电池将具有较大的商用可行性。从晶硅电池的发展历史来看:由于单晶硅价格较高,反而给多晶硅电池发展带来了机遇。
随着单晶生长技术的发展,单晶硅电池最终淘汰了多晶硅电池,因此该团队认为单晶钙钛矿电池可能有着巨大的发展机会。
另据悉,陈召来曾在国外从事博士后研究。他表示:“期间我有幸师从钙钛矿单晶领域国际最知名的两位学者:黄劲松教授和Osman Bakr教授。从他们身上我学到了做科研要做到不盲从,而是坚持自己的特色,同时要主动探寻所在领域的关键科学问题。”
他继续说道:“相比被广泛研究的钙钛矿多晶电池,我在回国以后所研究的单晶电池在效率和稳定性上都有明显差距,涉及该领域的研究人员屈指可数。我们一时间也没有好的思路继续提升单晶钙钛矿电池的性能,尤其是该如何稳定性,一度怀疑我们的研究方向是不是应该放弃。”
而陈召来目前所在单位是晶体材料国家重点实验室,致力于单晶材料的生长和应用。最终,在该实验室的支持之下,在他和学生累计两三年的不断努力之下,渐渐明确了本领域的关键问题,科研得以慢慢走上正轨。
“其中我们实验室有位知名教授对我讲,从材料上说单晶一定是比多晶更好的,那么单晶钙钛矿电池肯定是有希望的。
因此一定要坚持自己的研究特色,坚持我们国家重点实验室的特色。这段科研的经历和前辈的鼓励,给我的科研生涯带来了很大影响。”陈召来表示。
参考资料:
1.Liu, N., Li, N., Jiang, C., Lv, M., Wu, J., & Chen, Z. (2024). Perovskite Single Crystals with Self〤leaning Surface for Efficient Photovoltaics.Angewandte Chemie International Edition, e202314089.
排版:刘雅坤

来源:https://view.inews.qq.com/k/20240212A050EJ00
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