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韩礼元教授团队再发《Science》论文:构建稳定异质结结构提高钙钛矿太阳电池的稳定性
发布日期:2019/8/16 10:27:19 阅读次数:177715

拥有优异的光电性能,却天生体格“柔弱”,这是光伏新星、钙钛矿太阳能电池所面临的“成长的烦恼”。2019年8月16日,国际著名学术期刊《Science》在线发表了上海交通大学材料科学与工程学院韩礼元教授团队的研究成果 “Stabilizing heterostructures of soft perovskite semiconductors”(《稳固结构柔弱的钙钛矿半导体异质结》)。论文链接:https://science.sciencemag.org/content/365/6454/687。该研究论文博士研究生王言博为第一作者,杨旭东教授和韩礼元教授为共同通讯作者。

 

断突破钙钛矿电池难题,多次发表顶刊论文

韩礼元教授团队通过构建稳定异质结结构,在保证高效率的前提下,提高了钙钛矿太阳能电池在工作状态下的稳定性,对促进钙钛矿太阳能电池产业化进程起到重要作用。该研究成果是韩礼元教授团队继2015年在Science期刊上发表钙钛矿电池高效率研究成果(Science, 2015, 350, 944)和2017年在Nature期刊上发表钙钛矿大面积组件研究成果(Nature, 2017, 550, 92)之后的第3篇顶级期刊论文,是在器件稳定性方面的又一个重要进展。

稳固结构的钙钛矿异质结结构,实现电池稳态输出高效率

钙钛矿太阳能电池作为一种新型光伏技术,具有成本低、效率高的特点,目前世界最高光电转化效率纪录已达到25%。作为一种半导体异质结结构光电器件,钙钛矿太阳能电池通过钙钛矿光吸收层、电荷传输层等半导体材料组成的异质结结构来有效分离和提取光生电荷,实现由光能到电能的转换。但是,钙钛矿电池异质结结构并不稳固,一旦异质结结构被破坏,电池性能就会显著降低。究其主要原因,在于由离子组成的钙钛矿半导体天生结构“柔弱”,工作条件下受光照、电场、温度、水氧等作用的影响会产生大量结构缺陷,导致半导体材料发生结构改变甚至分解;分解逃逸出来的离子还会进入到电荷传输层或者电极层,进一步破坏异质结的光电转换功能,造成整体器件效率的显著降低。因此,如何稳固钙钛矿太阳能电池中“柔弱”的异质结结构,保护光生电荷的分离和提取过程,成为解决稳定性难题的一个重要研究方向。

为解决上述稳定性问题,韩礼元教授团队设计制备了具有稳固结构的钙钛矿异质结结构。该结构主要包含一层表面富铅钙钛矿半导体薄膜,并在薄膜表面沉积氯化氧化石墨烯薄膜,通过形成氯-铅键、氧-铅键将两层薄膜结合在一起。光学、电学等表征实验结果表明,该异质结结构稳定,可以有效减少钙钛矿半导体薄膜的分解和缺陷的产生,同时也减少了逃逸离子对电荷传输层功能性的破坏。具有该异质结结构的钙钛矿太阳能电池,在一个标准太阳光光强和60 oC条件下连续工作1000小时的后,仍然保有初始效率的90%,而且电池的稳态输出效率通过了国际公认电池评测机构-日本产业技术综合研究所(AIST)光伏技术研究中心的认证。

 

  图A,富铅钙钛矿薄膜制备过程;图B,氯化氧化石墨烯覆盖于钙钛矿薄膜表面;图C,D,E,异质结结构中氯-铅键,氧-铅键形成;图F,G,H,稳定性表征:不同异质结结构,电荷传输层表面电势分布

该研究团队的工作提供了一种通过构建稳固的异质结来提高钙钛矿太阳电池稳定性的方法,向钙钛矿太阳能电池产业化迈出重要一步。该研究得到国家自然科学基金(批准号:11574199,11674219,11834011)、上海市东方学者特聘教授项目资助。

未来展望

最新统计结果显示,我国研究单位在钙钛矿太阳能电池领域的成果数量已占全球总量的40%,表明我国已经成为钙钛矿太阳能电池研究领域的中流砥柱。该团队相信,在相关领域科研工作者的共同努力下,随着科学机理研究的不断深入和技术工艺水平的不断提高,解决钙钛矿太阳能电池稳定性难题指日可待。我国是世界上最大的太阳能电池生产国,钙钛矿太阳能电池将极有可能在中国的大地上首先实现产业化。

 [作者]:聂文洁、杨旭东

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