物質學院米啟兮課題組刷新非鉛鈣鈦礦太陽能電池效率紀錄

發布時間2024-04-29文章來源 物質科學與技術學院作者施躍東 米啟兮責任編輯劉玥

在鈣鈦礦太陽能電池研究中,如何將鉛元素替換為低毒的錫元素并保持優異的材料性能是科研人員一直試圖攻克的難題。近期,上??萍即髮W物質科學與技術學院米啟兮課題組開發出一種能顯著增加錫基鈣鈦礦太陽能電池開路電壓、進而提升其光電轉換效率的方法,相關研究成果得到同行評審的一致好評,通過優先渠道在線發表于國際學術期刊《美國化學會能源快報》(ACS Energy Letters)。

 

1:米啟兮教授(左)和第一作者研究生施躍東(右)

 

鈣鈦礦是近年迅速發展的新一代光電轉換材料,含鉛鈣鈦礦太陽能電池已日趨成熟并走向產業化。錫作為與鉛同主族且環境友好的元素,可用于替代鉛制備錫基鈣鈦礦材料。該材料同時具有晶體結構穩定、半導體性能優良等特點,適用于建筑一體化、可穿戴和醫療健康等應用。然而近三年來,錫基鈣鈦礦太陽能電池器件中開路電壓與短路電流這兩項重要性能指標相互制約,導致光電轉換效率處在14%–15%的平臺期,總體性能有待提升。

 

2:本研究工作通過引入表面偶極分子,改善了錫基鈣鈦礦與電子傳輸材料之間的能級匹配關系,從而大幅改善了太陽能電池的開路電壓和光電轉換效率。


針對錫基鈣鈦礦領域的瓶頸局面,米啟兮課題組分析了太陽能電池開路電壓和短路電流的受限原因,并自主制定了總體性能提升的技術路線。開路電壓主要由材料缺陷和界面能級匹配兩方面決定,前者已由課題組前期研究解決,而本研究則聚焦于后者,即錫基鈣鈦礦與電子傳輸材料之間的能級匹配。研究團隊發現,對氟苯乙胺氫溴酸鹽(FPEABr)能夠在錫基鈣鈦礦薄膜的上界面引入分子偶極,相當于在原本高低不平的兩個臺階之間搭上一個斜坡,從而降低了光生電子從錫基鈣鈦礦薄膜到電子傳輸材料需要越過的門檻(圖1)。由此,錫基鈣鈦礦太陽能電池的開路電壓從0.883 V提升至0.974 V,而短路電流保持基本不變,實現了經第三方專業認證的15.7%的光電轉化效率,為錫基鈣鈦礦乃至整個非鉛鈣鈦礦領域目前已報道的最高值。

 

3:研究人員(左起:繆東昊、朱子豪、米啟兮、施躍東、丁宇辰)

 

物質學院2021級材料科學與工程專業碩士研究生施躍東為該論文的第一作者,米啟兮教授為通訊作者,上??萍即髮W為此工作的唯一完成單位。本工作的部分研究成果已在本領域頭部企業和實驗室得到了實際轉化應用。

文章標題:Interfacial Dipoles Boost Open-Circuit Voltage of Tin Halide Perovskite Solar Cells

原文鏈接:https://doi.org/10.1021/acsenergylett.4c00529