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近日,中國科學院院士、大連化學物理研究所研究員李燦團隊,在鈣鈦礦太陽電池晶面調(diào)控研究中獲進展。研究團隊提出了“溶劑–添加劑級聯(lián)調(diào)控”(SACR)策略,通過協(xié)同調(diào)節(jié)溶劑誘導的中間相形成與添加劑主導的晶面生長動力學,實現(xiàn)了鈣鈦礦薄膜的單一取向可控生長,并揭示了晶面取向?qū)ζ骷阅芘c穩(wěn)定性的決定性作用。
鈣鈦礦太陽電池因高效率、低成本及工藝兼容性等優(yōu)勢,被認為是新一代光伏技術的重要候選材料。團隊在前期研究中,發(fā)展了在兩步法中誘導高(111)取向鈣鈦礦薄膜的制備方法,實現(xiàn)了高有序堆疊的(001)晶面鈣鈦礦薄膜,并揭示了晶面取向分布對器件性能的關鍵影響。在此基礎上,團隊進一步提出了可在溶液結晶階段實現(xiàn)取向調(diào)控的新策略,解決了隨機晶面取向?qū)е碌妮d流子傳輸損失與性能不穩(wěn)定問題。
研究表明,溶劑體系在結晶前期通過形成特定的中間相結構,為晶體生長提供了初始取向模板。DMF/DMSO體系,傾向于生成與(111)晶面匹配的PbI2·DMSO絡合物。DMF/NMP體系,更易形成與(100)晶面對應的PbI2·(DMF/NMP)復合相。
在此基礎上,團隊引入環(huán)己胺和環(huán)己胺碘化物等添加劑,通過其在晶面的選擇性吸附或化學反應,進一步調(diào)控晶面生長速率,從而實現(xiàn)晶面取向從混合到單一化的精準調(diào)控。
系統(tǒng)表征結果表明,該SACR策略下獲得的(100)與(111)取向薄膜,在載流子動力學、缺陷分布及界面能級等方面存在顯著差異。其中,(100)取向薄膜具有更高的光生載流子壽命和更優(yōu)的電荷傳輸能力,對應器件的光電轉(zhuǎn)換效率達到25.33%。而(111)取向薄膜因晶格致密、離子遷移受限,表現(xiàn)出更優(yōu)的環(huán)境穩(wěn)定性。
該研究實現(xiàn)了對鈣鈦礦晶面取向的可控調(diào)節(jié),揭示了晶面取向與器件性能之間的內(nèi)在耦合關系,為通過晶面工程制備高效與高穩(wěn)定性兼顧的鈣鈦礦光伏器件提供了新思路。
相關研究成果發(fā)表在《能源與環(huán)境科學》(Energy & Environmental Science)上。 |