新策略让光电转化效率保持稳定(新知)

发布时间:2024-07-25 05:57:51 来源: sp20240725

  前不久,西湖大学王睿研究组联合浙江大学薛晶晶研究组,发明了一种“缺陷钝化”新方法,能最大限度抑制高浓度下钝化剂分子对钙钛矿晶格的侵蚀,进而保证界面电荷的顺利传输,使钙钛矿太阳能电池保持出色的光电转化效率和器件稳定性。相关论文日前在线发表于国际学术期刊《焦耳》。

  能够将光能转化为电能的钙钛矿电池,其单片小面积的光电转化率在实验室已达到25%甚至更高,被认为是继硅太阳能电池之后的又一理想新能源电池。然而,在钙钛矿电池制备过程中,有一个绕不过去的环节:离子缺失。

  据论文的共同通讯作者王睿研究员介绍,钙钛矿分子有着独特的结构,分子结构中的一些离子构成一个八面体的立方晶格,像一个独立的积木结构。不同的离子元素组合,会有不同的性能和效果。当无数钙钛矿分子聚集在一起,会构成更大的规整立体结构。在制备钙钛矿电池的过程中,经常会发生离子缺失。这样的情况,被称为“缺陷”。

  克服“缺陷”的方法便是“钝化”。所谓“钝化”,就是补上缺失的部位,或者是让这个缺失更难形成。王睿介绍,目前钝化剂有很多类型,无论是固体、液体或者气体形态的钝化剂,都会被“滴”在钙钛矿薄膜表面。这个过程,就是“缺陷钝化”。钙钛矿电池出厂之前,都必须经过“缺陷钝化”这一关键步骤。

  随着电池器件运行时间的延长,钙钛矿电池表面的缺陷“浓度”也会随之增加,即电池会产生“计划外”的缺陷。比如,放在太阳光下照射,某些离子有可能会产生迁移;同时,电池使用时间长了,也可能会产生新的缺陷。

  王睿介绍,目前钝化剂的浓度通常针对新鲜制备的器件而设计,为尽可能不损伤电池,钝化剂浓度也被保持在一个尽可能低的数量级。然而,初始低浓度的钝化剂无法持续“钝化”越来越多新产生的缺陷。原则上,如果起初使用高浓度的钝化剂,或许可以在后续新缺陷出现时再对它们进行处理。但这一策略至今尚未取得成功,因为高浓度的钝化剂往往对器件性能产生不利影响。

  在使用一系列分子作为电池钝化剂的测试实验中,研究团队察觉到了有一类分子——三联吡啶分子,电池对它的浓度“不敏感”。研究人员用这类分子作为钝化剂,并把分子的浓度提高到了常规使用浓度的20倍。多种验证手段发现,即便在高浓度的情形下,这类分子也可以有序地堆砌在钙钛矿表面,对钙钛矿的晶格破坏小,且其堆砌的方向有利于界面电荷的提取和传输。

  三联吡啶分子的这种特性,能在不降低电池器件性能的情况下,对钙钛矿进行高浓度钝化,从而提高了钝化效果的耐久性。实验数据显示,经过三联吡啶处理的钙钛矿表面器件表现出高达25.24%的光电转换效率和出色的器件稳定性,在标准测试条件下运行2664小时后仍保持90%的初始效率。

  《 人民日报 》( 2024年02月26日 19 版)

(责编:岳弘彬、牛镛)