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【科技资讯】麻省理工、中科院、中科大、清华大学等高校钙钛矿最新成果梳理
作者:材料人 时间:2024-4-26 9:53:00 

01 全新视角Nat. Energy:揭秘导致钙钛矿太阳能电池运行稳定性下降的关键因素

香港中文大学Martin Stolterfoht教授联合不同地区多个学校的科研工作者共同揭示了移动离子诱导的场屏蔽效应是导致PSCs降解的主要因素。研究人员确定了在外部压力存在的情况下,一系列不同钙钛矿太阳能电池的移动离子诱导的降解损失会对总降解损失造成关键影响。

具体而言,研究人员使用不同扫描速度下的电流密度与电压进行测量,证明了稳定性损失与可移动离子的运动和移动离子密度(nION)的增加直接相关,而nION在钙钛矿太阳能电池的初始性能损失中占主导地位。

增加的nION导致稳态功率转换效率(PCE)大幅下降,研究人员将这一结果归因于场屏蔽的增加。研究还表明,界面复合并不随着电池老化而增加,但开路电压(VOC)和准费米能级分裂(QFLS)之间的不匹配性越来越大,这也可以归因于接触区域中nION的增加。

因此,钙钛矿太阳能电池的早期老化阶段由不断增加的nION主导。这项工作建立了移动离子在PSCs器件的降解过程中发挥作用的关键见解,为预测钙钛矿器件的长期稳定性提供了参考。

研究人员以钙钛矿主体材料Cs0.05(FA0.83MA0.17)0.95Pb(I0.83Br0.17)3 设计了钙钛矿电池,并研究了光照条件下,钙钛矿电池的降解性能。在光致老化过程中,在不同的开路电压照射时间下,慢扫描速度下具有稳定的J-V曲线。在电池中,随着时间的推移,短路电流密度损失的增加主导了降解损失。

02 最新Science:单结钙钛矿太阳能电池创世界纪录!

美国西北大学Sargent团队和上海科技大学宁志军团队在单结PIN钙钛矿光伏器件性能上取得新突破。研究围绕PIN钙钛矿器件上界面能量损失大的难题,提出了一种能同时实现表界面缺陷有效钝化与电子高效传输的方法。

具有双钝化位点的分子4-氯苯磺酸钠(4Cl-BZS)因其平坦的分子结构、合适的分子长度以及良好的缺陷钝化能力被选为目标分子。

在钙钛矿前驱体溶液中引入4Cl-BZS,由于其分子结构过大,不能进入钙钛矿晶格,在钙钛矿薄膜制备过程中钝化分子会迁移到上表面,通过-Cl和-SO3-与相邻的Pb2+成键,4Cl-BZS最终将以与钙钛矿表面平行的方式分布在钙钛矿上表面,缩短了钙钛矿与电子传输层(C60)之间的距离。

此外,4Cl-BZS分子处理通过界面偶极的形成推动能带结构的下移,实现和C60之间更好的能级匹配,这有助于提高电子的传输效率。

基于此协同作用,团队分别制备了准稳态认证效率为26.15和24.74%的小面积(0.05 cm2)和大面积(1.04 cm2)单结PIN钙钛矿光伏器件,刷新了单结钙钛矿光伏器件认证效率的世界记录值,认证结果被Best Research-Cell Efficiency Chart  (NREL) 和Solar cell efficiency tables (Version 63) 收录。

1个太阳光光照以及65摄氏度温度下,冠军器件连续工作1200小时后仍保持着初始效率的95%。相关成果以 “Improved charge extraction in inverted perovskite solar cells with dual-site-binding ligands”为题发表在Science期刊上,首次报道了PIN钙钛矿光伏器件准稳态认证效率超过NIP钙钛矿光伏器件效率的情况。

03 Science | 南科大林君浩课题组合作首次合成二维全有机钙钛矿晶体,揭示其超低电子剂量有机官能团结构表征

南方科技大学物理系、粤港澳大湾区量子科学中心林君浩副教授课题组与香港理工大学应用物理学系讲席教授Kian Ping Loh、助理教授冷凯、助理教授殷骏团队合作,在二维全有机钙钛矿的设计、合成和结构解析方面取得重大突破,相关研究成果以“分子厚度的二维全有机钙钛矿(Molecularly thin, two-dimensional all-organic perovskites)”为题发表在国际顶级期刊Science上。

该工作提出了一种崭新构建二维全有机层状钙钛矿的设计策略,并成功合成了多种新型分子层厚的全有机二维晶体。这种不需要金属的二维全有机钙钛矿为钙钛矿材料开辟了一个全新的分支,为开发新型全有机二维钙钛矿材料提供了重要基础。

此外,冷冻透射电镜(Cryo-TEM)在表征二维全有机钙钛矿晶体结构的过程中发挥了关键作用,为研究人员深入理解这种新型材料提供了重要支撑,开辟了生物冷冻电镜技术用于化学有机材料有机基团表征的全新领域。

04 清华大学易陈谊AM:通过结晶动力学和空间取向调控实现效率超过25.6%的稳定钙钛矿太阳能电池

研究团队开发了一种多功能有机分子,乙内酰脲(Hydantoin),用于调节钙钛矿薄膜结晶。得益于Hydantoin多种官能团对钙钛矿前驱体的协同作用,成功抑制了溶剂中间相及δ相钙钛矿的生成,形成了钙钛矿光学活性相具有高结晶度且集中out-of-plane取向的钙钛矿膜,并显著抑制了多种缺陷以及载流子非辐射复合。

基于Hydantoin辅助结晶制备出了光电转换效率超过25.66%(经认证为25.15%)的钙钛矿太阳能电池,且具有良好的环境稳定性。值得注意的是,在标准测量条件(ISOS-L-1I)下的最大功率点输出1600小时,钙钛矿太阳能电池仍保持了初始效率的96.8%,并表现出优异的离子迁移抑制效果。该研究工作对钙钛矿结晶和空间取向的协同调节为推动钙钛矿太阳能电池的发展提供了新的途径。

05 王中林院士/朱来攀研究员团队利用热释电-压电耦合效应提升钙钛矿光电探测器性能

来自中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士和朱来攀研究员团队在 Advanced Materials期刊发表了题为“Enhanced piezoelectricity of MAPbI3 by the introduction of MXene and its utilization in boosting high-performance photodetectors”的论文。

该项研究报道了利用典型的MXene材料Ti3C2Tx作为中间层,显著提升了钙钛矿材料甲酰胺碘化铅(MAPbI3)的压电性能,这种改善主要是由于Ti3C2Tx中的OH官能团诱导了MAPbI3中甲基铵(MA+)官能团的极化增强。

并在此基础上制备了高性能的MAPbI3/MXene柔性光电探测器,利用热释电-压电光电子耦合效应大大提升了器件的光电探测性能。

该研究不仅揭示了MXene增强MAPbI3压电性的机制,还验证了压电光电子效应和热释电光电子效应对光电探测器的性能具有极大的提升效果,为设计高性能钙钛矿光电探测器提供了新思路。

06 中科大Nature Energy: 空气中制备钙钛矿太阳能电池新突破

来自中国科技大学的徐集贤教授团队在Nature Energy发表了题为“Inhibition of halide oxidation and deprotonation of organic cations with dimethylammonium formate for air-processed p-i-n perovskite solar cells”的论文,该项研究首先系统的总结了空气中制备倒置钙钛矿太阳能电池效率较低的原因。

分析表明,空气中制备钙钛矿太阳能电池的全部过程(前驱体溶液储存、钙钛矿薄膜结晶)均受到空气中的水、氧影响从而导致钙钛矿太阳能电池性能的劣化。为解决这一问题,在本项研究中,研究者设计并合成了一种能够在全制备流程中起到保护作用的离子液体型稳定剂,甲酸二甲基胺 (DMAFo)。

对于钙钛矿前驱体溶液,该稳定剂的高还原性以及其与钙钛矿前驱体间形成的配位键和氢键可以显著抑制I-离子的氧化和有机阳离子的去质子化,显著延长钙钛矿溶液在高温空气环境中的存储时间。

不仅如此,DMAFo对于钙钛矿薄膜在空气中的结晶过程也起到保护作用。DMAFo的加入可以提升薄膜结晶度,减少结构缺陷并降低表面电势的无序度,进而抑制载流子的非辐射复合。

该项研究表明,抑制钙钛矿结晶过程中所形成的p型缺陷并减小缺陷的束缚截面是提升空气中制备的钙钛矿太阳能电池性能的关键。基于以上结论,本项研究成功的在空气中制备了开路电压在1.185 eV的倒置钙钛矿太阳能电池,并获得了25.4%的实验室效率和24.7%的认证效率,已接近在氮气中制备的同类器件的最高水平。

07 华中科大Science:高效介孔分子筛的电子注入与缺陷钝化

在华中科技大学这篇Science中,韩宏伟教授团队自主开发了可全湿法加工的可印刷介观钙钛矿太阳能电池,其特点是在单一导电衬底上逐层印刷介孔二氧化钛层、介孔二氧化锆层及介孔碳电极层,之后填注钙钛矿材料到三层介孔膜结构中即完成器件的制备。

2014年,团队在国际上首次报道了光照稳定的钙钛矿太阳能电池,研究成果“改变了人们对钙钛矿太阳能电池‘本质上不稳定’的看法” 【Science 345, 295 (2014)】;

2018年,团队以研制的3600cm2尺寸的可印刷介观钙钛矿太阳能模组组装了110平米实验性示范系统【Science 361, 1214 (2018)】,充分展示了该器件在成本控制、稳定性及大面积制备等方面的巨大优势。

然而,依据传统p-n结理论,空穴传输层的缺失使得钙钛矿吸光材料与碳电极直接接触导致严重的复合,进而影响效率的提升。

在该项工作中,通过模拟仿真及载流子动力学测试,三层介孔膜结构器件展现了不同于传统p-n结电荷分离机制。

在传统平面堆叠光伏器件中,光生载流子(空穴和电子)产生后在吸光层中长距离迁移,然后在空穴传输层(或电子传输层)界面被选择性提取,对应的电子传输层(或空穴传输层)起着阻挡异种载流子(空穴或电子)复合的作用,因此在传统太阳能电池中电子传输层及空穴传输层的存在是获取高光电转化效率的必要条件。

而在三层介孔膜结构的可印刷介观太阳能电池中,吸光材料被局域在三维互穿网络结构的电子传输层纳米孔中,吸光材料所产生的光生电子通过3D注入过程快速有效的注入到介观电子传输层中,电子和空穴分别在电子传输层和吸光材料层中传输。

这种介孔膜中载流子3D注入过程解耦了充分吸收光所需的吸收层厚度与确保电荷充分收集所需的载流子扩散长度之间的矛盾,在电子传输层/钙钛矿界面,而不是在钙钛矿/碳界面的复合,是导致电压损失的主要原因,因此无空穴传输层的阻挡,三层介孔膜结构的可印刷介观钙钛矿太阳能电池也可获得超高的光电转化效率。

为此,针对多孔电子传输层内表面氧空位缺陷带来的性能损失关键制约,利用由软路易斯酸阳离子与硬路易斯碱阴离子构成的盐钝化剂进行处理,促使氧空位电离释放所束缚的电子,有效钝化了氧空位,成功将可印刷介观钙钛矿太阳能电池效率提升至第三方认证的22.3%。与此同时,57.5cm2微型模组开口面积效率达18.2%,模组中单条子电池的电压超过1.1伏。

08 上海交大Science:用于稳定倒置钙钛矿太阳能电池的空穴传输分子的增强自组装

在上海交通大学的论文中,倒置钙钛矿太阳能电池(PSCs)的长期稳定性需要在运行过程中保持钙钛矿层下的自组装空穴传输分子(SAM)致密。韩教授研究团队发现,如果SAM通过氢键而不是共价键锚定在基底上,钙钛矿前体中的强极性溶剂会将其解吸。

他们使用原子层沉积技术创建了一个具有完全共价羟基覆盖表面的氧化铟锡基底,用于SAM锚定,以及一个具有三甲氧基硅烷基团的SAM,该基团对基底表现出强三齿锚定。他们所制备的倒置钙钛矿太阳能电池PSC,实现了24.8(认证24.6)和23.2%功率转换效率PCE,孔径面积分别为0.08和1.01平方厘米。

经过1000小时湿热试验和在85°C最大功率点跟踪时,在标准光照下,运行1200小时后,器件分别保留了98.9%和98.2%初始功率转换效率PCE。

09 钙钛矿最新Nature Energy!!!

麻省理工学院Moungi G. Bawendi &Vladimir Bulović&韩国化学技术研究院Seong Sik Shin等研究者在Nature Energy上发表了题为“Reduced recombination via tunable surface fields in perovskite thin films”的论文,该研究通过深入优化钙钛矿光伏器件的表面处理,实现了电荷载流子寿命的显著延长,进一步推动了钙钛矿光伏技术的发展,具有巨大的科学突破和实际应用潜力。

该研究揭示了钙钛矿光伏器件中新的可调钝化策略和机制:六基溴化铵处理产生富含碘化物的2D层和Br卤化物梯度,从有缺陷的表面到3D层。延长电荷载流子寿命(>30 μs)、降低界面复合速度(<7 cm s−1),从而推动PCE向25%以上迈进。该研究揭示了一种优化和调整半导体界面复合和电荷传输的策略和旋钮,为实现下一代钙钛矿器件性能记录奠定新的前沿。

010 中科大Nat. Photonics:突破蓝光钙钛矿发光二极管性能瓶颈

中国科学技术大学崔林松教授课题组与英国剑桥大学Samuel D. Stranks教授团队合作,开发出一种提升蓝光钙钛矿发光二极管(LED)性能的新策略,成功突破蓝光钙钛矿LED的性能瓶颈,解决了该领域重要难题。

相关研究成果以《Efficient blue electroluminescence from reduced-dimensional perovskites》为题,于2024年1月26日在线发表在期刊《Nature Photonics》上。

钙钛矿LED因其优越的发光性能和低成本等优势,成为极具潜力的新一代发光与显示技术。近年来,绿光、红光和近红外钙钛矿LED取得了显著进展,其外量子效率(EQE)均超过20%,可与有机LED和量子点LED相媲美。

然而,目前蓝光钙钛矿LED的发展相对滞后,其性能远落后于其他光色的钙钛矿LED,因此高性能蓝光钙钛矿LED的实现是该领域现阶段的瓶颈。

针对以上问题,研究团队设计开发了一种具有共振电子态的多功能有机离子稳定剂双(三苯基正膦基)氯化铵(PPNCl),实现了对钙钛矿相组成和分布的精准调控,抑制了钙钛矿中的非辐射复合通道和离子迁移现象,从而大幅提升了蓝光钙钛矿LED的效率和稳定性。

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来源:材料人
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