物质学院陈刚课题组在二维钙钛矿太阳能电池领域取得重要进展

ON2021-02-23CATEGORY科研进展

近日,我校物质学院陈刚课题组在二维层状钙钛矿太阳能电池领域取得重要进展,研究成果以Self-Passivation of Low-Dimensional Hybrid Halide Perovskites Guided by Structural Characteristics and Degradation Kinetics为题发表于国际知名期刊Energy & Environmental Science

有机无机杂化钙钛矿材料的维度调控工程被认为是解决其本征环境不稳定问题、推进其商业化发展的关键技术手段。通过维度调控得到的二维钙钛矿材料具备特殊空间构型,展现出了优异光电性能及稳定性,成为此领域新的发展方向,而进一步提高其综合性能则依赖于对其本征工作机制的深入理解和把握。自从2014年二维钙钛矿应用于太阳能电池以来,已有大量研究通过材料及结构设计提高了二维钙钛矿的光电性能及稳定性,但仍有一系列机理性问题亟待解决,如二维钙钛矿材料在薄膜中的空间分布、二维钙钛矿薄膜中各物相结合作用方式、二维钙钛矿环境稳定性机制等,这些都决定了薄膜的本征特性,深刻影响着薄膜综合性能。

图:应用同步辐射X射线衍射技术对二维钙钛矿薄膜的结构进行系统的表征

在此项研究中,陈刚课题组对二维钙钛矿薄膜的结构特征和退化机理进行了深入探究,提出了一种新型薄膜优化手段,有效提高了二维钙钛矿薄膜及对应太阳能电池器件的光电性能与稳定性。他们首先应用同步辐射变角度X射线衍射技术,揭示了二维钙钛矿薄膜中晶粒具有高度取向性且层数渐增的空间特性;随后,应用同步辐射原位X射线衍射技术,进一步揭示了二维钙钛矿薄膜材料在高温下异相退化及高湿度下歧化退化的过程,这更新了人们对此类材料稳定性机制的理解;最后,以机理性探究为指导,开发出一种基于“自钝化”理念的新型薄膜优化手段,在二维钙钛矿薄膜表面构建一层钝化薄层,将对应的太阳能电池光电转换效率提升到了17%,同时极大优化了器件在湿、热环境条件下的稳定性。该项工作首次全面揭示了二维钙钛矿薄膜的结构特征与退化机制,为二维钙钛矿太阳能电池技术的进一步发展提供了理论和实验指导。

图:二维钙钛矿高湿度下歧化退化机制

值得一提的是,这项工作是陈刚课题组近年来在钙钛矿材料原位表征方面一系列工作的延伸,是基于上科大周边大科学装置集群优势进行的原创性、机理性、体系性研究工作。

图:二维钙钛矿薄膜自钝化示意图

物质学院副研究员孟轲为本文第一作者,陈刚为通讯作者,上科大是唯一完成单位。该研究得到国家自然科学基金委、上海市科委和葡京会5886的资助,同时得到了上海光源的大力支持。

相关文章链接:https://doi.org/10.1039/D0EE03836A