光伏發(fā)電屬于新質(zhì)生產(chǎn)力的范疇，大力發(fā)展光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)有助于實(shí)現(xiàn)我國“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)。然而，傳統(tǒng)硅基太陽能電池存在制造成本高、污染大等問題。新型鈣鈦礦太陽能電池具有理論極限效率高、制備方法簡單等特點(diǎn)，應(yīng)用潛力巨大。全無機(jī)鈣鈦礦由于其理想的帶隙和良好的熱穩(wěn)定性而在眾多鈣鈦礦材料中受到極大關(guān)注。然而，由于全無機(jī)鈣鈦礦材料對水氧敏感，導(dǎo)致全無機(jī)鈣鈦礦太陽能電池在空氣中的穩(wěn)定性較差。因此，以往的全無機(jī)鈣鈦礦太陽能電池大多是在惰性氣氛環(huán)境下制備，這對制備設(shè)備的要求較高，還增加了資源消耗。此外，器件的埋底界面存在缺陷密度高、材料熱膨脹系數(shù)不匹配的問題，影響了器件效率和壽命。因此，如何設(shè)計(jì)一種適用于全無機(jī)鈣鈦礦太陽能電池的低成本制備方法，且使電池兼具高光電轉(zhuǎn)換效率和優(yōu)異長期穩(wěn)定性的特點(diǎn)，成為了亟待解決的難題。
圖1 論文摘要圖
為解決這一問題，電網(wǎng)防災(zāi)減災(zāi)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研團(tuán)隊(duì)提出了新方案：基于界面工程的策略，采用具有電子離域特性的包含共軛結(jié)構(gòu)的2,4-己二烯酸鉀作為埋底界面修飾劑，同時采用熱空氣流輔助的旋涂法，在空氣中成功制備了高效穩(wěn)定的碳基全無機(jī)鈣鈦礦太陽能電池。采用熱空氣流輔助旋涂法可以顯著降低空氣中水氧對鈣鈦礦成膜的不利影響，有利于提升空氣中制備的鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：共軛的界面修飾劑可以增強(qiáng)電荷傳輸層和光吸收層的能級匹配，增強(qiáng)電荷抽取和傳輸能力，降低開路電壓損耗。此外，共軛界面修飾劑可以鈍化埋底界面缺陷，提升電子傳輸層的浸潤性和電荷傳輸能力，增強(qiáng)光吸收層薄膜的結(jié)晶性。最后，鉀離子可以部分?jǐn)U散到鈣鈦礦晶體中，使得晶格收縮，有利于材料穩(wěn)定性的提升，進(jìn)而有利于器件穩(wěn)定性的提升。
圖2 網(wǎng)絡(luò)首發(fā)論文截圖
本研究成果以“Bridging the buried interface with conjugated molecule for highly efficient carbon-based inorganic CsPbI2Br perovskite solar cells fabricated in air”為題撰寫的論文，已在國際頂級期刊《Chemical Engineering Journal》（影響因子IF=15.1，中科院一區(qū)TOP期刊）發(fā)表。電氣學(xué)院教師時一斐為第一作者，碩士研究生張雷為學(xué)生第一作者，電網(wǎng)防災(zāi)減災(zāi)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（長沙理工大學(xué)）為第一完成單位。這項(xiàng)工作推動了空氣中制備全無機(jī)鈣鈦礦電池的研究，拓展了共軛材料的應(yīng)用，深入探究了界面工程中共軛材料的影響效果和作用機(jī)理，為其他類型鈣鈦礦太陽能電池以及發(fā)光二極管、光電探測器、場效應(yīng)晶體管等器件的研發(fā)提供了新思路。
本研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、湖南省自然科學(xué)基金、湖南省教育廳項(xiàng)目和湖南省研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.152210
（文/張雷 圖/時一斐 一審/謝樹芳 二審/周巍 三審/姜飛）
