近年來,鈣鈦礦材料因其優(yōu)異的光電性能,成為光電器件領域中具有應用前景的光電材料之一。目前鈣鈦礦太陽電池光電轉換效率已達25.5%,但是鈣鈦礦材料對輻射、濕度等敏感,暴露在大氣條件下容易降解,嚴重影響其使用。因此,開發(fā)高性能、高穩(wěn)定和具有自修復功能的鈣鈦礦太陽電池器件尤為重要,具有挑戰(zhàn)性。
鈣鈦礦太陽電池在空氣環(huán)境中工作時,水分是導致其分解的關鍵因素之一。鑒于此,研究人員將聚乙烯吡咯烷酮引入鈣鈦礦吸光材料,使得制作的太陽電池具有較強的自修復功能,濕度穩(wěn)定性得到明顯提升。聚乙烯吡咯烷酮是一種長鏈絕緣聚合物,具有高密度的極性羰基,將其引入太陽電池中,可以包裹MAPbI3,形成疏水“屏障”,阻止水分子的入侵。它還能與甲胺離子(MA+)的-NH2基團形成氫鍵相互作用(圖1),抑制甲胺的分解和揮發(fā),從而提高電池“自愈”能力。此外,聚乙烯吡咯烷酮能夠與碘甲胺形成中間絡合物,抑制鈣鈦礦晶體的成核速度。聚乙烯吡咯烷酮的引入,實現(xiàn)了電池多次自修復(圖2),顯著提升了電池的工作壽命,并使得鈣鈦礦薄膜缺陷減少,晶粒增大,提高了電池的光電轉化效率。
研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中科院“西部之光”人才培養(yǎng)計劃項目以及“歐洲地平線2020”計劃項目的支持。
論文鏈接;https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S2095495621005933
圖1. (a)和(b)鈣鈦礦材料在水分子存在下的降解途徑;MAI和含有聚乙烯吡咯烷酮的MAI在DMSO-d6溶液中的1H NMR譜圖(c)和13C NMR譜圖(d);(e)聚乙烯吡咯烷酮與MAI摩爾比為1:1混合制備的MAI、聚乙烯吡咯烷酮的FTIR光譜,箭頭為C=O和CH3的伸縮振動峰;(f)不同濃度聚乙烯吡咯烷酮溶液下鈣鈦礦膜的XRD譜圖;(g)含有和沒有聚乙烯吡咯烷酮的O 1s在200小時后的XPS圖。
圖2. 含有(a)和不含(b)聚乙烯吡咯烷酮的薄膜,顯示了水蒸氣噴涂60秒后,自修復30秒后的狀態(tài)變化;(c)鈣鈦礦薄膜自修復過程示意圖;(d)含有6 mg mL-1聚乙烯吡咯烷酮的鈣鈦礦太陽能電池在65±5%相對濕度下的濕度穩(wěn)定性。
原標題:合肥研究院等開發(fā)出可“自愈”的鈣鈦礦太陽電池