鈣鈦礦太陽能電池成本低, 效率高, 被認為是最有希望實現低成本發電的光伏技術之一. 現在高效率的鈣鈦礦電池普遍採用高溫燒結的TiO2, 限制了其在柔性器件中的應用, 而且TiO2在光的作用下可以催化分解鈣鈦礦, 嚴重影響電池的穩定性. 目前鈣鈦礦電池的效率已經超過23%, 穩定性問題已經成為限制其走向實用化的最大瓶頸.
中國科學院寧波材料技術與工程研究所研究員方俊鋒圍繞上述問題展開深入研究, 並取得新進展. 首先, 針對TiO2需要高溫處理的問題, 提出採用極性富勒烯 (C60 pyrrolidine tris-acid, CPTA) 來替代TiO2作為電子傳輸材料, 實現了柔性鈣鈦礦電池效率﹥17% (Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1701144) ; 在此基礎上, 進一步在界面處引入PbI2作為晶核, 通過界面誘導成核優化鈣鈦礦晶體生長, 使器件效率提升至20.2% (Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1706317) . 同時, 在空穴傳輸材料方面, 通過對聚電解質傳輸材料抗衡離子的選擇 (P3CT-N) , 有效抑制了聚電解質的過度聚集, 從而改善了鈣鈦礦薄膜在界面上的生長, 實現了反向p-i-n鈣鈦礦電池效率﹥19%, 柔性器件效率也達到18%, 1cm*1cm的大面積器件效率﹥15% (ACS Appl. Mater. Interfaces2017, 9, 31357; Advanced Science, 2018, 1800159) .
在上述高效p-i-n鈣鈦礦電池的基礎上, 最近, 該研究團隊在鈣鈦礦電池的工作穩定性方面進一步取得新進展. 太陽能電池在實際發電 (光照且外加負載) 過程中的連續功率輸出是衡量其能否實用化的核心指標. 在實際工作中, 鈣鈦礦薄膜內部的離子會沿晶界發生定向遷移, 這是造成鈣鈦礦電池效率衰退的重要原因. 針對此問題, 該團隊率先提出原位交聯的策略來製備鈣鈦礦電池. 在鈣鈦礦薄膜中引入一種可交聯的液體有機小分子 (trimethylolpropane triacrylate, TMTA, 圖1a) , 藉助TMTA與晶界處PbI2的配位作用, 使TMTA化學 '錨釘' 在鈣鈦礦晶界處, 有效鈍化晶界缺陷, 實現﹥20%的器件效率; 更重要的是, 經過進一步加熱處理, TMTA能夠發生原位交聯 (圖1b) , 在晶界處形成穩定的交聯聚合物網路 (圖1c) , 使鈣鈦礦薄膜的離子遷移活化能由0.21eV提升至0.48eV, 從而有效抑制離子沿晶界的遷移. 基於此策略的鈣鈦礦電池在全光譜標準太陽光下經過400小時的連續最大功率輸出 (負載0.84V) 仍能維持初始效率的80% (圖2) , 相對於傳統的鈣鈦礦電池, 其工作穩定性 (T80) 提升了590倍. 該工作首次實現了甲胺鉛碘鈣鈦礦電池在標準太陽光 (Xe燈) , 全光譜 (不濾光) 下﹥200小時的長期工作穩定性, 為高效穩定鈣鈦礦電池的製備提供了全新的思路與方法. 同時, 鈣鈦礦電池的空氣穩定性 (濕度45%-60%) 和熱穩定性 (85℃) 也有明顯提升, 經過﹥1000小時老化後仍能維持初始效率 (或post burn-in效率) 的90%以上. 相關工作以In-situ cross-linking strategy for efficient and operationally stable methylammoniun lead iodide solar cells 為題發表於《自然-通訊》 (Nature Communications, 2018, 9, 3806) . 方俊鋒為該論文的唯一通訊作者, 李曉冬為第一作者.
上述工作得到中科院前沿科學重點研究計劃 (CAS QYZDB-SSW-JSC047) , 國家自然科學基金 (51773213, 61474125) 及博士後基金 (2017M610380) 等的支援.
圖1 (a) TMTA化學結構; (b) TMTA加熱交聯; (c) TMTA在鈣鈦礦薄膜中原位交聯示意圖
圖2 基於原位交聯策略的鈣鈦礦電池的連續功率輸出
