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化工学院在高效低成本新型光伏技术领域取得重要突破

时间:2021-12-21   来源:化工学院   作者:史彦涛   

作为第三代新兴光伏技术,有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池(PSCs)近10年来能量转换效率突飞猛进,经国际权威机构认证的效率高达25.5%,已接近单晶硅太阳能电池(26.7%)。凭借成本低廉、制备工艺相对简单、可柔性化、弱光可发电等诸多优点,PSCs在光伏领域展现出了巨大应用前景,其发展受到各国学者和产业界的广泛关注。当前,PSCs长期稳定性以及贵金属电极材料产生的成本问题仍然是阻碍PSCs大规模应用的主要障碍。

PSCs目前广泛使用的Au/Ag等贵金属电极除了价格昂贵外,还存在易与钙钛矿中的卤素离子发生化学反应、进而被腐蚀的问题,降低了电池的长期稳定性。以廉价的碳电极取代贵金属电极是提升PSCs稳定性并降低成本的有效策略,然而由于界面接触、能级失配和电荷传输动力学迟缓等问题,碳基PSCs能量转换效率一直处于相对较低的水平(绝大多数都不超过18%)。如何提升碳基PSCs能量转换效率,是本领域亟待破解的难题之一。

图1 Ti1-rGO的制备示意图及其形貌结构表征

近日,我校化工学院化学系史彦涛教授团队联合瑞士洛桑联邦理工Michael Gr?tzel教授团队及东南大学电子科学与工程学院朱超研究员,创新性地利用碳基负载金属单原子电极材料Ti1/rGO,并结合一种更为先进的器件结构,有效调控了碳基C-PSCs光生载流子界面转移/传输动力学,大幅减少了能量损失。以此为基础制备的新型碳基PSCs能量转换效率高达21.6%,远高于本领域先前报道器件性能(绝大多数<18%)。更加可喜的是,未封装器件在25℃60℃分别连续照射工作1300 h(氮气保护,1 sun)后,能量转换效率依然保持初始值的98%95%,展现出了优异的稳定性。

图2 Ti1-rGO基C-PSCs的光电特性及稳定性

本项研究为进一步推进PSCs产业化提供了重要思路,其创新之处在于,首次将结构明确的单原子材料(SAMs)应用于全固态光电器件领域。研究结果表明,当单原子Ti通过特定化学结构负载于还原氧化石墨烯(rGO)时,rGO的电子结构发生显著变化,引起费米能级下降和功函数增大,使得Ti1/rGO与空穴传输层的能级更加匹配,有利于界面电荷转移。其意义在于,不仅发展了一种调控碳材料电学特性的先进方法,同时深化了对碳材料化学结构与电学性能之间构-效关系的理解,更加拓展了SAMs的应用领域。

其次,本项研究中所采用的器件结构为叠合式碳基PSCs,是一种可实现模块化制备和组装的新型光伏器件,能够完全不依赖真空沉积技术,且可以使用廉价的电极材料,大幅降低了光伏器件设备和材料成本。更重要的是,这种新型器件结构实现了光生电荷纵向提取和横向传输过程的解耦,从根本上解决了传统碳基PSCs器件电荷转移动力学能量损失过大的问题。

研究成果以“Ti1–graphene single-atom material for improved energy level alignment in perovskite solar cells”为题发表于能源领域知名期刊Nature Energy。该研究工作由校内外多个课题组共同完成,我校为第一作者和第一通讯单位,我校博士生张春阳为共同一作(排名第一)。本项研究的参与单位包括洛桑联邦理工学院、东南大学、香港科技大学、厦门大学、中科院大连化学物理研究所。本项研究获得了国家自然科学基金、“兴辽英才计划”项目、大连市科技创新基金、辽宁省中央引导地方科技发展资金等资助。

原文链接:

https://www.nature.com/articles/s41560-021-00944-0

编辑:秦博昱   
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