固體所開發出自修復的鈣鈦礦太陽電池

中國粉體網訊  近期，中科院合肥研究院固體所能源材料與器件制造研究部胡林華研究員課題組與希臘德謨克利特國家科學中心納米科學技術研究所Polycarpos Falaras教授、澳大利亞Greatcell Energy的Tulloch Gavin教授課題組合作，成功實現了鈣鈦礦太陽電池自修復，相關成果發表在Journal of Energy Chemistry (J. Energy Chem., 2021, DOI: https://doi.org/10.1016/j.jechem.2021.10.029)上。

近年來，鈣鈦礦材料因其優異的光電性能，已成為光電器件領域中最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到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，開發高性能、高穩定和具有自修復功能的鈣鈦礦太陽電池器件尤為重要，且極具挑戰性。

鈣鈦礦太陽電池在空氣環境中工作時，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；同時，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，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，實現了電池多次自修復（圖2），不僅顯著提升了電池的工作壽命，還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。

上述工作得到國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金、中科院“西部之光”人才項目以及 “歐洲地平線2020”計劃項目的支持。

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jechem.2021.10.029。

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定性。

（中國粉體網編輯整理/星耀）

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