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Sargent团队Nature三连击 二维材料突破钙钛矿电池稳定性瓶颈

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2024/7/17 17:35:09

Sargent团队Nature三连击 二维材料突破钙钛矿电池稳定性瓶颈


近日,国际顶级学术期刊Nature在线发表了一项关于钙钛矿太阳电池的重要研究成果。美国西北大学博士后研究员刘成、杨熠、陈昊、Ioannis Spanopoulos、Abdulaziz S. R. Bati为共同第一作者。美国西北大学郑丁、Tobin J. Marks、Antonio Facchetti、Edward H. Sargent、Mercouri G.Kanatzidis为共同通讯作者等教授领导的研究团队,在提高钙钛矿太阳电池稳定性和效率方面取得了显著进展。该研究题为"Two-dimensional Perovskitoids Enhance Stability in Perovskite Solar Cells",由博士后研究员刘成、杨熠、陈昊、IoannisSpanopoulos和Abdulaziz S. R. Bati等人共同完成。



研究背景


近年来,钙钛矿太阳电池因其高效率和低成本的特点,在光伏领域引起了广泛关注。单结小面积(<1 cm²)器件的光电转换效率已突破26%,这主要归功于界面钝化技术的改进,特别是使用有机铵盐或二维(2D)钙钛矿作为表面钝化层。然而,这些钝化层中的活性阳离子在热驱动下容易破坏钙钛矿结构中脆弱的角共享八面体连接,并在2D和三维(3D)钙钛矿层之间迁移,严重制约了器件效率和稳定性的进一步提升。


创新方法


针对钙钛矿器件中界面离子迁移的问题,研究团队提出了一种创新的解决方案:利用2D"类钙钛矿"进行界面钝化。这种类钙钛矿材料同时具有角、边、面共享的特殊结构,能有效阻止界面离子迁移。研究人员通过合成一系列类钙钛矿材料,并调节它们在钙钛矿薄膜表面的维度和取向,实现了载流子在异质结构内部的高效传输。




主要发

  1. N-氨基己基-邻苯二甲酰亚胺盐酸盐 (A6PI)

  2. N-氨基己基-苯[f]-邻苯二甲酰亚胺盐酸盐 (A6BfPI)

  3. N-氨基己基-苯[e]-邻苯二甲酰亚胺盐酸盐 (A6BePI)

  4. N-氨基己基-萘二甲酰亚胺盐酸盐 (A6NI)


这些材料分别形成了(A6P)PbI3、(A6BfP)PbI3、(A6BeP)PbI3和(A6N)PbI3等结构。特别值得注意的是,(A6BfP)8Sn7I22形成了一种2D结构,具有混合的角、边、面共享连接,这种结构对于提高器件稳定性起到了关键作用。



这些性能指标显示了该研究团队在提高钙钛矿太阳电池效率方面取得的进展,特别是在大面积器件上实现如此高的效率,对于推动钙钛矿太阳能电池的实际应用具有重要意义。


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Supplementary Fig. 1 | (A6P)PbI3 single crystal. a. Crystal structure of (A6P)PbI3 with the CCDC number of 2362695. b. Powder XRD of (A6P)PbI3.


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Supplementary Fig. 8 | The crystal structure of (A6BfP)8Sn7I22 and (A6BfP)8Pb7I22 films. XRD of (A6BfP)8Sn7I22 single crystal and (A6BfP)8Sn7I22 and (A6BfP)8Pb7I22 perovskite films.


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Supplementary Fig. 10 | Perovskitoid/perovskite heterostructure. Cross-sectional HRTEM, corresponding FFT and filtered HRTEM image of the (A6BfP)8Pb7I22/perovskite film.


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Supplementary Fig. 12 | Carrier lifetime. TRPL of 3D perovskite films passivated by non-2D ligand o-PDEAI2, 2D (PEA)2PbI4, and 2D (A6BfP)8Pb7I22 perovskite films, the carrier lifetimes are summarized in Supplementary Table 9.


研究意义

这项研究不仅在理论上阐明了类钙钛矿材料稳定钙钛矿太阳电池的机理,还在实践中证明了其在提高器件效率和稳定性方面的潜力。特别是,2D (A6BfP)8Pb7I22的结构为设计高效、稳定的钙钛矿太阳电池提供了新的思路。这一成果为钙钛矿光电器件的进一步研究和潜在的大规模应用提供了有价值的参考。  


研究团队与设备

值得一提的是,Edward H. Sargent研究团队是信賴光焱科技Enlitech的长期合作客户,並且團隊中採購了光焱科技Enlitech QE-R光伏/太阳能电池量子效率测量解决方案SS-X100 A+级光谱AM1.5G标准光谱太阳光模拟器专业检测设备。该团队在进行許多高精度测量和測試时,經常采用了專業的研究设备为研究结果的精确性和可靠性提供了强有力的支持。这些先进设备的使用,为研究团队获得高质量的实验数据提供了重要保障,从而为研究成果的可靠性奠定了坚实基础。

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Supplementary Fig. 14 | Influence of isopropanol on film morphology and device performance. a. SEM images of the 3D perovskite film with and without isopropanol washing with scale bar of 1 μm, and b. their corresponding J-V curves.


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Supplementary Fig. 18 | Stabilized efficiency. The steady-state output of the best-performance 2D perovskitoid-passivated PSC. The maximum power point of the device was tracked for 300 s under simulated one sun AM 1.5 G irradiation (100 mW cm-2) at room temperature within a nitrogen glovebox.


结论

美国西北大学研究团队在钙钛矿太阳电池领域取得了重要进展,特别是在提高大面积器件的效率和稳定性方面。通过开发新型2D类钙钛矿材料(A6BfP)8Pb7I22,研究人员成功地改善了器件的界面特性,有效抑制了离子迁移问题。


这项研究的主要贡献包括:

  1. 大面积(>1 cm²)钙钛矿太阳电池上实现了24.6%的准稳态光电转换效率,这是该领域的一个重要突破。

  2. 在85℃、空气环境下,器件展现出1250小时的稳定运行能力,显著提高了钙钛矿太阳电池的耐久性。

为解决钙钛矿太阳电池长期存在的稳定性问题提供了新的思路和方法


这些成果为钙钛矿太阳能电池的进一步发展和潜在的商业化应用奠定了基础。然而,要将实验室成果转化为大规模商业应用,仍然需要解决许多挑战,包括进一步提高效率、延长使用寿命、降低生产成本等。

随着这类研究的不断深入,钙钛矿太阳电池技术有望在未来的可再生能源领域发挥更大作用。这项研究为提高钙钛矿太阳能电池的性能提供了新的方向,为推动太阳能技术的进步做出了有意义的贡献。


参考文献 Efficient perovskite solar modules with an ultra-long processing window enabled by cooling stabilized intermediate phases _Nature, 2024,_DOI:10.1039/D4EE01147C


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文献参考自 Nature, 2024,_DOI:10.1039/D4EE01147C

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