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化学所等制备高效高稳定的二维钙钛矿光伏器件

光伏电池组件  来源:中国科学网    2020/4/9 17:23:48  我要投稿  

北极星太阳能光伏网讯:作为新一代薄膜太阳能电池的代表性材料,钙钛矿的毒性及对水氧的敏感性严重阻碍了其商业化进程。近年来,二维(2D)Sn基无铅钙钛矿因其出色的稳定性和低毒性,成为3D钙钛矿的替代材料。但由于二维材料结构的特殊性,电子或空穴受量子尺寸效应限制,其寿命和迁移率远低于3D结构,因而其器件光电转化效率明显低于3D钙钛矿。这种稳定性与高效率之间的矛盾成为实际应用的一个难题。

最近,在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的支持下,中科院化学研究所绿色印刷重点实验室科研人员与郑州大学合作,成功地将疏水性有机分子1,4-丁二胺引入到Sn基无铅钙钛矿中,合成了一系列具有Dion-Jacobson相的准二维钙钛矿。如下图所示,具有典型准二维结构的(BEA)FA2Sn3I10钙钛矿结构对称性较好,光吸收窗口与三维相比并没有明显减少,并具有合适的禁带宽度。第一性原理计算表明,(BEA)FA2Sn3I10具有大的形成能(106j/mol),结构稳定。另外,(BEA)FA2Sn3I10薄膜致密性良好,载流子限域作用并不明显,结合一维扩散方程,计算出的电子扩散长度为450 nm,空穴扩散长度为360 nm,载流子迁移率为14.4 cm2V-1S-1。利用该(BEA)FA2Sn3I10薄膜制备出的太阳能电池,光电转换效率高达6.34%,是目前报道的Dion-Jacobson相的准二维钙钛矿太阳能电池的最高值。更为重要的是,在自然条件下,未封装的器件经过1000小时的老化,效率仅仅衰减8%。另外,在光照稳定性测试中发现,经过200小时,器件效率仍有90%以上。通过这种新型低维无铅钙钛矿结构设计,同时实现了高效率和稳定性的钙钛矿太阳能电池,对推动钙钛矿太阳能电池的实际应用具有重要意义。

该研究成果近日发表于《德国应用化学》(Angewandte Chemie International Edition)上,通讯作者是化学所研究员宋延林和郑州大学博士张懿强,第一作者是博士生李鹏伟。

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单晶(BEA)FA2Sn3I10的合成,晶体结构及第一性原理计算


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