高效稳定的二维层状钙钛矿来了!

2020-01-22   
  美国曾有科学家预测,以新型钙钛矿为原料的太阳能电池转化效率或可高达50%,是目前市场上太阳能电池转化效率的两倍,这将大幅降低太阳能电池的使用成本。几年前,钙钛矿太阳能电池被《科学》评为年度国际十大科技进展之一,研究热度也随之攀升。

日前《自然—光子学》发表了一篇论文,介绍了科研团队在高效稳定层状钙钛矿太阳能电池方向的重要进展,这项研究由吉林大学、南京工业大学、西北工业大学的多位学者共同完成。

一支高效的合作团队

除了吉林大学材料科学与工程学院教授张立军,这篇论文的通讯作者还包括南京工业大学先进材料研究院教授陈永华,中科院院士、西北工业大学柔性电子研究院教授黄维,记者翻阅了相关论文后发现,这3位合作者在近一年时间内先后发表了多篇论文。

2019年4月,陈永华和黄维团队在Chem期刊上刊发论文,报道了空气中简单一步法制备高效率钙钛矿太阳能电池的方法。

“通过实验研究,我们采用了新型离子液体溶剂醋酸甲胺(MAAc)来制备高效稳定的钙钛矿太阳能电池。”陈永华告诉《中国科学报》,离子液体钙钛矿光伏技术具有效率高、稳定性好、易放大、一步成膜、环境友好等突出的优点,是极具潜力的新型光伏制备技术。这篇论文发表之后得到了学术界和产业界的高度关注。

基于该项突破,陈永华和黄维团队继续采用离子液体MAAc作为溶剂,制备了高效稳定的二维层状钙钛矿,成为离子液体应用在钙钛矿领域的又一突破。

陈永华表示,相对于三维钙钛矿,二维层状钙钛矿的优势包括提高的耐湿性、优异光稳定性和热稳定性、超低的自掺杂行为和显著降低的离子迁移效应等。

这一观点在2019年8月发表于《科学》的另一篇论文中得到证实。 张立军也是这篇论文的通讯作者之一,论文是关于三维全无机钙钛矿以及其在太阳能电池领域的应用。他告诉记者:“相对于三维钙钛矿,二维层状钙钛矿的优势更显著,正在成为钙钛矿太阳能电池的研究热点。”

一个有意思的实验

2017年,在一次钙钛矿学术研讨会的间隙,陈永华与张立军交流了最新的研究工作,并向其介绍了一个有意思的实验。

“我们在合成层状钙钛矿时,尝试用其他有机胺分子替换常用的丁胺分子,并发现用含有硫原子的有机胺分子2—(硫代甲基)乙胺时,得到的钙钛矿薄膜形貌质量都特别好,制成太阳能电池器件后光电转换效率也很高。”陈永华告诉张立军,但这背后的微观机制并不清楚,希望能与他们团队在理论计算上开展合作。

于是,张立军带领学生虞士栋开展了基于量子机制的第一性原理计算模拟。他指出,研究难点在于二维钙钛矿尤其是基于含硫原子有机胺分子的二维钙钛矿,进行计算模拟非常复杂,没有实验结果的直接支持,不知道哪个原子构型是能量最低的基态。

由于计算量非常大,研究人员进行了很多原子构型尝试,最终确立含硫原子有机胺分子的能量最低构型,后续结合能量稳定性和电子结构特征的分析,解释了其背后的半导体物理机制。

张立军介绍,高效率钙钛矿太阳能电池的效率已经可以和传统的硅基太阳能电池相比拟,并在太阳能发电领域有极具潜力的应用前景。目前,科研团队正在努力将钙钛矿卤化物材料应用于其他领域,比如发光、柔性电子等。

他还表示,钙钛矿太阳能电池商业化应用正面临两个严峻挑战:材料和器件的稳定性以及含铅带来的毒性。“二维层状钙钛矿可以提升材料和器件的稳定性,我们当前的工作将为其提供一个新思路。”

一条柳暗花明的研究之路

在陈永华与张立军团队开展实验与理论结合的深入研究的同时,黄维从实验设计、定期的讨论、文章撰写等方面对论文进行了全方位的指导。

陈永华回忆道:“在各方的支持下,从实验想法提出、取得阶段性成果、文章投稿,到文章顺利接收,历时3年多,一路走来并不容易。”

为了验证实验数据的可靠性,需要把器件送至具有资质的第三方进行检测认证,陈永华没想到这个过程是最艰难的。“困难来自于我们对认证工作的不熟悉。”

陈永华还记得第一次去认证测试时,由于没有任何经验,器件完全测不出效率。“接连几次的认证失败后,我们反复讨论、思考每一个步骤,找问题、寻根源。”

最终,科研团队发现问题出在器件结构、测试夹具以及衬底电极图案的设计上。陈永华说:“找到问题根源后,我们在最短的时间内更新了设计图纸、测试夹具等,最后拿到了第三方认证。”

而寻找并且设计出能够稳定钙钛矿结构的有机胺分子是制备层状钙钛矿电池的最大挑战。在一个个分子尝试、选择以及器件制备过程中,层状钙钛矿太阳能电池的效率在几个月的时间内就从12%提升到了17%。

“电池效率的迅速提升,也给了我们巨大的压力。”陈永华说,“在这个过程中我们发现,杂原子的引入可以增强钙钛矿器件的稳定性,但是效率相比于报道有很大的差距,在经历多次失败之后,我们的效率提升到了18%以上,这在当时是一个破纪录的效率。”

相关论文信息:

https://doi.org/10.1038/s41566-019-0572-6

  中国科学报   作者: 沈春蕾 >