在短短十年内,基于金属卤化物的功率转换效率就从起初的3.8%上升到25.2%,超过其他类型的薄膜太阳能电池。
然而,要论实际应用,该类材料的热稳定性差是个核心难题。
近日,信息科学与工程学院詹义强、郑立荣和瑞士洛桑联邦理工大学(epfl)合作实现了一种室温稳定的钙钛矿材料,并且制备出了光电转换效率超过23%的高效稳定太阳能电池。
相关论文于10月2日发表在世界顶级学术期刊《科学》(science)上,题为《气氛辅助制备高效高稳定黑相甲脒铅碘钙钛矿太阳能电池》(vapor-assisted deposition of highly efficient, stable black-phase fapbi3 perovskite solar cells)。
钙钛矿是指一类分子通式为abx3的晶体,通常为立方体或八面体结构。钙钛矿型金属卤化物已经在太阳能光伏电池、发光二极管(led)、激光器和光电探测器等研究领域崭露头角。其中,α黑相甲脒铅碘(fapbi3)钙钛矿具有相对良好的热稳定性和接近理想带隙等特点,被视作离实用最近的“候选人”。
然而, fapbi3在150°c以下会“翻脸”,从光活性的黑相(a相)转变成非光活性的黄相(d相),造成材料降解及电池性能衰减。虽然通过掺杂混合等方式可以得到室温稳定的a-fapbi3薄膜,但是在实际工作条件下,材料会出现相分离以及吸收谱蓝移等问题。
为了解决获得稳定的纯a-fapbi3薄膜这一国际难题,复旦和瑞士这个联合团队深入研究fapbi3的相变机理,创新性地开发了一种基于硫氰酸甲铵(mascn)蒸汽或硫氰酸甲脒(fascn)蒸汽的气相辅助生长技术。该技术能在较低退火温度下(100°c)将fapbi3从黄相完全转化为黑相,并保持长期稳定。
非光活性的黄相在mascn蒸汽或fascn蒸汽下转换为光活性的黑相原来,scn-离子会优先吸附于黄相fapbi3表面,由于pb2 与s之间存在强亲和力作用,scn-离子取代了与pb2 成键的i离子,将d相fapbi3面共享八面体结构的顶层瓦解,自上而下,将黄相fapbi3完全转化为黑相fapbi3。
即使经过500小时的85°c退火实验测试中,基于新技术制作的a-fapbi3薄膜保持纯黑相,呈现出优秀的热稳定性。
研究团队进一步用低缺陷密度的a-fapbi3薄膜制作出钙钛矿太阳能电池,其光电转化效率可超过23%,具备低开路(330 mv)电压损失、低电致发光启动电压(0.75v)的特性,且在最大功率点追踪500小时后,依然保持原有性能的90%以上。
复旦大学新闻网报道称,该项突破为钙钛矿材料在高效轻质光伏电池、新型led和其它光电器件系统等应用奠定了基础,对太阳能清洁能源的泛在利用、新型柔性大面积光电器件与系统、以及智能机器人自主供电等具有重要意义。