吴季怀教授团队在钙钛矿太阳能电池领域取得系列最新研究成果

作者:材料科学与工程学院      单位: 发布时间:2021-11-22

近期,我校材料科学与工程学院和环境友好功能材料教育部工程研究中心吴季怀教授团队在钙钛矿太阳能电池领域取得重要研究进展。不到两个月内,分别在材料与化学领域国际著名期刊ACS Energy Letters、Small Methods和Small发表系列高水平研究论文三篇。

2019级博士研究生李国栋以第一作者的身份在ACS Energy Letters期刊上发表题为“Efficient and Stable 2D@3D/2D Perovskite Solar Cells Based on Dual Optimization of Grain Boundary and Interface”的研究论文。钙钛矿太阳能电池由于其优异的光电性质,备受广大研究人员的关注,光电转化效率达到25.5%,可以与商业化硅基太阳能电池媲美,但其实际应用受到稳定性的极大限制。三维/二维(3D/2D)混合钙钛矿结合了3D钙钛矿的高效率和2D钙钛矿的高稳定性,具有远大前景。在这一研究中,研究人员设计了含有孤电子对的N原子的2-(2-吡啶基)乙胺(2-PyEA)分子作为添加剂引入钙钛矿中,2-PyEA促进了2D@3D钙钛矿的生成;在此基础上,2-PyEA作为界面修饰剂,促进了2D@3D/2D钙钛矿的形成。结果表明,2-PyEA在2D@3D/2D钙钛矿中对晶界和界面进行了双重优化。验证了缺陷密度降低、残余应力释放、电荷转移改善、载流子寿命延长,双重优化实现了23.2%的最大光电转换效率,具有可忽略的迟滞和令人满意的稳定性。该研究证明了2-PyEA在形成高效稳定的钙钛矿太阳能电池器件方面的奇妙作用。

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2020级博士研究生邓春炎以第一作者的身份在SmallMethods期刊上发表题为“Surface Reconstruction and In Situ Formation of 2D Layer for Efficient and Stable 2D/3D Perovskite Solar Cells”的研究论文。二维/三维(2D/3D)钙钛矿复合结构兼具2D钙钛矿优异的稳定性和3D钙钛矿的高转化效率,受到研究者们的广泛关注。研究人员引入了一种与流行的异丙醇不同的界面修饰溶剂——聚醚胺(A-PPG)用于溶解钙钛矿表面过量的PbI2和表面部分钙钛矿,在3D钙钛矿表面重构并原位形成准2D钙钛矿覆盖层。此外,A-PPG分子中醚-氧和氨基的孤电子对可以与Pb2+形成配位键,有效钝化钙钛矿表面缺陷;A-PPG亦可调整钙钛矿层的能量排列,减少载流子非辐射复合。该研究结果表明,2D/3D钙钛矿器件实现了22.24%光电转化效率和1.21 V出色的开路电压(热力学极限为1.30 V),同时有效抑制钙钛矿薄膜的降解以形成稳定的钙钛矿太阳能电池。

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2018级博士研究生刘旭萍以第一作者的身份在Small期刊上发表题为“Phthalideand 1-Iodooctadecane Synergistic Optimization for Highly Efficient and Stable Perovskite Solar Cells”的研究论文。钙钛矿由于固有缺陷引起的载流子非辐射复合和器件的不稳定性是限制钙钛矿太阳能电池(PSC)发展的主要因素。在PSC器件的制备过程中,钙钛矿薄膜经常会产生Pb0和I0缺陷。该论文报告了一种通过缺陷钝化和表面改性协同优化钙钛矿薄膜的策略:在富铅钙钛矿薄膜中掺杂苯酞(PT),有效钝化了钙钛矿薄膜中的铅阳离子缺陷,1-碘十八烷(1-IO)对薄膜表面进行改性,有效减少了卤素阴离子缺陷并由于其疏水性提高了PSC的稳定性。PT和1-IO协同优化的器件实现了22.27%的光电转化效率和优异的稳定性,放置在空气环境(~10 RH%,25℃)中超过70天后,优化的PSC仍保持初始效率的93.2%。该研究为提高PSC的性能和稳定性提供了一种新的策略。

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以上研究工作得到国家自然科学基金-海峡联合基金重点项目(U1705256)和国家自然科学基金项目(51972123、21771066)以及华侨大学研究生创新基金的大力支持。


(编辑:吴江辉)