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寧波材料所在柔性鈣鈦礦太陽能電池領域取得進展

2023-01-11 17:01:34來源：中國科學院寧波材料技術與工程研究所 韓斌 閱讀量：201 評論

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導讀：研究發(fā)現(xiàn)鐵電性的二維鈣鈦礦的加入能有效增強內(nèi)建電場，進而提升激子解離效率并抑制器件中的非輻射復合。

　　近十年來，具有高效率和低成本特性的鈣鈦礦型太陽能電池(PSCs)受到了越來越多的關注，尤其是柔性鈣鈦礦型太陽能電池(f-PSCs)在建筑一體化光伏、建筑貼附式光伏、便攜式設備以及航空航天領域有廣闊的應用空間，成為了研究人員關注的熱點。雖然f-PSCs近些年來發(fā)展迅速，其光電轉化效率仍舊落后于剛性PSCs，在f-PSCs處于彎曲狀態(tài)下這種效率差距尤為明顯。
 
　　前期，中國科學院寧波材料技術與工程研究所葛子義研究員和劉暢研究員等人通過薄膜形貌調(diào)控、載流子傳輸層修飾和新型二維鈣鈦礦材料設計(Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2101416；Adv. Funct. Mater. 2022, 10, 2210600；Infomat 2022, e12379；Nano Energy 2022, 93, 106800；Energy Environ. Sci. 2022, 15, 3630)等手段，大幅提升了柔性和剛性鈣鈦礦光伏器件的效率和穩(wěn)定性。
 
　　然而，較弱的激子解離能力和較差的成膜質量仍舊制約著f-PSCs的效率，對此團隊創(chuàng)新性地通過優(yōu)化二維鈣鈦礦中有機大分子的吡啶環(huán)中的N原子位置，使大分子的偶極矩增大，實現(xiàn)了具有鐵電性的二維鈣鈦礦。
 
　　研究發(fā)現(xiàn)鐵電性的二維鈣鈦礦的加入能有效增強內(nèi)建電場，進而提升激子解離效率并抑制器件中的非輻射復合。在三維鈣鈦礦結晶過程中二維鈣鈦礦種子可以輔助其成為更均勻和定向程度更高的晶體薄膜，釋放薄膜中拉伸應力。因此，基于此的f-PSCs效率達到了23.08%，并且具有較好的機械穩(wěn)定性，在經(jīng)歷了1000次循環(huán)彎折試驗后仍舊可以保持原有能量轉化效率的85%以上。
 
　　此外鐵電二維鈣鈦礦具有壓電性，在彎曲狀態(tài)下可以引起ITO/鈣鈦礦界面的能帶彎曲降低空穴傳輸勢壘，因而該器件在拉伸應力下會呈現(xiàn)出更高的能量轉化效率，為開發(fā)更高效的f-PSC提供了新的思路。
 
　　相關研究成果以“Rational design of ferroelectric 2D perovskite for improving the efficiency of flexible perovskite solar cells over 23%”為題，發(fā)表于Angew. Chem. Int. Ed.(相關論文信息：https://doi.org/10.1002/anie.202217526)，寧波材料所葛子義研究員和劉暢研究員為該論文的通訊作者，碩士生韓斌、王耀華為共同第一作者。
 
　　上述工作獲得了國家杰出青年科學基金(21925506)、國家重點研發(fā)計劃(2017YFE0106000)、國家自然科學基金(51773212、81903743、22005322)、寧波市科技創(chuàng)新2025重大專項(2018B10055)、中國科學院前沿科學研究重點項目(QYZDB-SSW-SYS030)等的支持。
 
(a)新型二維鈣鈦礦的結構；(b)柔性器件的J-V曲線
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