近年來, 有機-無機鹵化物鈣鈦礦材料發展迅速, 已經成為下一代薄膜太陽能電池和光電子學領域的明星級材料. 三維 (3D) 甲基碘化鉛 (MAPbI3) 作為太陽能電池的吸收層具有優異的光伏性能, 如: 消光係數高, 帶隙匹配, 激子結合能小以及電荷擴散長度長等優點. 該類鈣鈦礦太陽能電池效率最高已經達到22.1%. 然而, 這類鈣鈦礦材料面臨環境穩定性差的問題嚴重製約了該類鈣鈦礦電池的商業化進程. 這一挑戰激勵著研究者致力於開發環境穩定性好的新型材料. 在這樣的背景下, 二維 (2D) 鈣鈦礦材料脫穎而出. 與3D鈣鈦礦材料相比, 2D鈣鈦礦材料擁有可調的光電性能和環境穩定性兩大優點. 遺憾的是, 由於2D鈣鈦礦存在吸收係數低, 電荷傳輸能力差和激子結合能大等問題, 導致其光伏性能差, 電池效率低下. 近期研究發現2D鈣鈦礦邊緣存在長壽命的自由載流子, 這為該材料的高光伏特性提供了保證. 通過在加熱基底上進行溶液法澆築製備薄膜, 可以有效的控制2D鈣鈦礦的晶向, 在垂直方向形成有效的電荷輸運, 使得電池效率達到12.5%, 同時比3D鈣鈦礦電池具有更好的耐濕性. 儘管在控制溶液成膜上取得了巨大的成功, 然而其材料本徵缺陷仍然限制光伏性能和器件穩定性的進一步提升.
【成果簡介】
近日, 中科院劉生忠教授, 陝西師範大學趙奎副教授 (共同通訊作者) 在Energy & Environmental Science 上發表了一篇名為 'Stable high efficiency two-dimensional perovskite solar cells via cesium doping' 的文章. 該工作通過對二維 (BA) 2 (MA) 3Pb4I13鈣鈦礦進行銫 (Cs) 摻雜將太陽能電池效率從12.3%提高至13.7%. 此外, 電池的穩定性也得到了進一步的提升.
【小結】
在這項工作中, 研究者通過對二維 (BA) 2 (MA) 3Pb4I13鈣鈦礦電池進行銫 (Cs) 摻雜來提升鈣鈦礦薄膜的晶粒尺寸與表面質量, 進而提升器件的光伏性能和穩定性. 研究發現, 當銫摻雜濃度為5%時, 器件的效率從0摻雜時的12.3%提高至13.7%. 此外, 在30%濕度情況下, 經過1400小時後, 器件的效率仍然保持89%. 這將有助於推動鈣鈦礦太陽能電池走向商業應用.
