亮点成果

方国家教授课题组在钙钛矿太阳能电池研究方面再获进展

来源:武汉大学物理科学与技术学院 发布时间:2016-09-21 16:59:08 点击次数:


    钙钛矿作为一种新型的吸光材料,以其具有合适的带隙、理想的电子空穴扩散长度、高的吸光系数等特性,使得钙钛矿太阳能电池在几年之内迅速成为全球的研究热点,目前其电池性能已达到与硅太阳能电池相当的水平,并且制备工艺简单,成本低廉,具有很好的应用前景。近期,我院方国家教授领衔的能源材料与半导体器件课题组,在钙钛矿光伏电池领域特别是SnO2基钙钛矿太阳能电池研究方面再次取得多项重要进展,研究成果在《Advanced Functional Materials》、《Advanced Materials》、《Small》、《Journal of Materials Chemistry A》等国际著名期刊上相继发表。这一系列工作得到了国家863计划、国家自然科学基金委和科技部973纳米专项的支持。
成果1:《使用低温水热生长的二氧化锡作为电子传输层增强钙钛矿电池的稳定性》
钙钛矿太阳能电池是一种拥有巨大潜力的光伏器件,但因稳定性和电池效率衰减等问题,离工业化生产仍然有一定的距离。课题组与中科大张振宇教授合作,通过低温(95℃)水热方法制备出一种纳米多级结构二氧化锡电子传输层,用以提高电池的稳定性。这种多级结构二氧化锡电子传输层,主要由一层纳米二氧化锡致密层和一层由竖立的二氧化锡纳米片阵列组成的多孔层组成。其中,致密层主要起到挡空穴的作用,而多孔层起到加快电子的传输、阻挡水汽的侵入、抑制钙钛矿界面处的分解从而提高电池的稳定性和充当钙钛矿支架层来增加电池吸光等。基于这种低温水热方法生长的SnO2,钙钛矿电池的光电转化效率可达 16.17%。更值得关注的是,这种多级结构二氧化锡钙钛矿太阳能电池在低湿度无封装室温条件下放置 3000小时后,其效率衰减不超过10%。这种多级结构二氧化锡电子传输层可在柔性衬底上制备,为制备稳定高效柔性钙钛矿光伏器件提供了一种可能。
该成果以《使用低温水热生长的二氧化锡作为电子传输层增强钙钛矿电池的稳定性》“Enhanced Stability of Perovskite Solar Cells with Low-temperature Hydrothermally Grown SnO2 Electron Transport Layers”为题发表在国际著名期刊《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)上。论文第一署名单位是武汉大学,第一作者是物理科学与技术学院2013级硕士生刘琴。
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    论文链接地址:http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201600910/full
成果2:《使用低温水热生长的钇掺杂的二氧化锡作为电子选择层来减小钙钛矿太阳能电池的回滞提高其性能》
钙钛矿太阳能电池中经常出现的J-V曲线回滞问题,使钙钛矿器件真实性能的客观评价出现偏差。为了减小钙钛矿电池中的回滞效应、进一步提高钙钛矿电池的效率,课题组与校友美国托莱多大学鄢炎发教授合作,研究通过在低温水热生长的纳米多级结构二氧化锡电子选择层中进行了适钇的掺杂,从而提高界面载流子的传输、减小界面载流子的堆积和存储,显著地提高了器件的性能并减小了回滞效应。进一步的研究发现,钇掺杂可以得到生长更均匀、取向更一致的二氧化锡纳米片,从而改善了其与钙钛矿吸光层的界面接触,提高载流子的传输。同时,钇掺杂也可以调整二氧化锡的能带,提高二氧化锡的电导率,从而显著地改善了钙钛矿太阳能电池中载流子的传输效率并大大地抑制器件的回滞效应。研究表明,以低温水热生长的钇掺杂的二氧化锡纳米片作为电子选择层器件的效率达到17.29%。
该成果以《使用低温水热生长的钇掺杂的二氧化锡作为电子选择层来减小钙钛矿太阳能电池的回滞提高其性能》“Reducing Hysteresis and Enhancing Performance of Perovskite Solar Cells Using Low-temperature Processed Y-Doped SnO2 Nanosheets as Electron Selective Layers ”为题发表在国际著名期刊《Small》上(DOI: 10.1002/smll.201601769),论文论文第一署名单位是武汉大学,第一作者是武汉大学物理科学与技术学院2016级博士生杨光。
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成果3:《使用硫氰酸铅添加剂来减小平面钙钛矿太阳能电池的回滞提高其填充因子》
钙钛矿吸光层对电池器件的性能起着至关重要的作用,为了进一步提升钙钛矿电池的性能 制备更高质量的钙钛矿吸光层,课题组成员与校友、美国托莱多大学鄢炎发教授、Duke大学David Mitzi教授合作,通过在钙钛矿的前驱体中加入少量的 Pb(SCN)2, 使得钙钛矿的晶粒明显变大, 并且还使得钙钛矿的晶界被残余的PbI2钝化,从而降低了钙钛矿电池的暗电流和离子迁移,有效的降低了平面钙钛矿电池的磁滞效应,提高填充因子。最后,研究人员进一步整合了富勒烯钝化的 SnO2 电子传输层和经过晶界钝化的钙钛矿吸光层, 使得平面钙钛矿太阳能电池的效率高达 19.45%。
该成果以《使用硫氰酸铅添加剂来减小平面钙钛矿太阳能电池的回滞提高其填充因子》“Employing lead thiocyanate additive to reduce hysteresis and boost fill factor of planar perovskite solar cells ”为题发表在国际顶尖期刊《先进材料》上 (Advanced Materials) 上, 论文第一作者是物理科学与技术学院2013级博士生柯维俊。        

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论文链接地址:http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201600594/full
 成果4:《基于高温二氧化锡的平面钙钛矿太阳能电池的性能增强的电学性能与机制探究》
   在钙钛矿太阳能电池中,二氧化锡的高迁移率、宽带隙以及良好的光学增透性,使其成为很好的电子传输材料。课题组的研究人员发现,在以高温制备的二氧化锡作为电子传输层的钙钛矿中,在二氧化锡中掺杂适量的镁可以显著地改善其结构均匀性和膜的平整性,提高电池的性能(电池效率提升92.8%)。通过镁元素的掺杂调控,增强了二氧化锡的电学性能,一方面减小了二氧化锡的自由载流子浓度抑制了电荷的复合,另一方面提高了电子迁移率进而增强了电荷的抽取能力。 进一步研究发现,镁元素对二氧化锡的能级位置也有一定的影响,可以进一步减小界面的复合。 以镁掺杂高温二氧化锡作为电子传输层制备的钙钛矿电池,最终实现了14.55%的稳态输出效率。
该成果以《基于高温二氧化锡的平面钙钛矿太阳能电池的性能增强的电学性能与机制探究》 “Performance enhancement of high temperature SnO2-based planar perovskite solar cells:electrical characterization and mechanism understanding”为题发表在国际著名期刊《材料化学杂志》(Journal of Materials Chemistry A)论文第一署名单位是武汉大学,第一作者是物理科学与技术学院博士后熊良斌。

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论文链接地址:http://pubs.rsc.org/is/content/articlehtml/2016/ta/c6ta01839d
 

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