寧波材料所在無機(jī)鈣鈦礦電池研究中獲進(jìn)展
鈣鈦礦材料以優(yōu)異的光電性能和低溫廉價(jià)的制備方法，獲得光電研究人員的青睞，特別是作為活性層在光伏研究領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。經(jīng)過多年發(fā)展，其單結(jié)電池認(rèn)證效率已接近單晶硅認(rèn)證效率，然而，電池在工作環(huán)境下的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性問題限制鈣鈦礦電池的商業(yè)化。為了解決鈣鈦礦穩(wěn)定性問題，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員方俊鋒此前采用添加劑工程（Nat. Commun. 2018，9，3806.；J. Mater. Chem. A 2019，7，8978；Nano Energy 2019，58，825；Adv. Energy Mater. 2019，9，1901852；Nano Energy 2019，64，103962；Chem. Mater. 2019，31，9032）和界面工程（J. Mater. Chem. A 2020，8，6546；J. Mater. Chem. A 2019，7，18898；J. Mater. Chem. A 2019，7，3336；J. Mater. Chem. A 2020，8，6517），以提升有機(jī)無機(jī)雜化鈣鈦礦電池的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性。有機(jī)無機(jī)雜化鈣鈦礦中有機(jī)成分揮發(fā)導(dǎo)致其光熱不穩(wěn)定，相比而言，全無機(jī)鈣鈦礦具有良好的耐溫性和光照穩(wěn)定性，且無機(jī)鈣鈦礦具備鈣鈦礦電池發(fā)展重點(diǎn)之一的高效疊層結(jié)構(gòu)前級(jí)的理想活性層材料，但是無機(jī)鈣鈦礦難以控制結(jié)晶性，這限制其效率的提升。此外，無機(jī)鈣鈦礦雖然具有良好的光熱穩(wěn)定性，但是對(duì)水敏感，在微量水的條件下易分解或發(fā)生相變，導(dǎo)致電池性能衰減或失活。 dE~]%fUFy-
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近期，方俊鋒圍繞無機(jī)鈣鈦礦電池效率限制和穩(wěn)定性問題，展開研究并取得系列進(jìn)展。 n]^zIe^6
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研究人員分析器件結(jié)構(gòu)和光伏參數(shù)發(fā)現(xiàn)，限制效率提升的主要因素是差的結(jié)晶性和非輻射復(fù)合導(dǎo)致的開壓（Voc）損失。針對(duì)該問題，將有機(jī)小分子（trimethylolpropane triacrylate，TMTA）引入CsPbI2Br鈣鈦礦前驅(qū)體溶液，TMTA分子中酯基能夠有效改善無機(jī)鈣鈦礦結(jié)晶，經(jīng)過高溫退火后，分子中的雙鍵發(fā)生交聯(lián)形成網(wǎng)絡(luò)填充晶界，實(shí)現(xiàn)生長(zhǎng)調(diào)控和原位鈍化保護(hù)效果；選擇噻吩乙胺碘鹽（Th-NI）為后處理劑，進(jìn)一步抑制界面復(fù)合，實(shí)現(xiàn)雙鈍化保護(hù)，器件效率從12.17%提升到15.58%，且未封裝的器件表現(xiàn)出優(yōu)異的濕度穩(wěn)定性，在相對(duì)濕度（RH）25%下存放1540 h，仍保持初始效率的83.4%（ACS Energy Lett. 2020，5，676-684）。 L& ucTc =
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分布在鈣鈦礦表面不穩(wěn)定的懸掛鍵（缺陷）是限制光伏器件的穩(wěn)定性和效率另一個(gè)因素，缺陷為外界破壞提供通道促使鈣鈦礦分解和相變，且作為復(fù)合中心限制載流子傳輸造成表面復(fù)合和光伏損失，特別對(duì)于反向結(jié)構(gòu)無機(jī)鈣鈦礦落后的效率發(fā)展。針對(duì)該問題，研究人員采用溴甲脒鹽（FABr）進(jìn)行表面處理，在150℃退火下，F(xiàn)ABr的擴(kuò)散在鈣鈦礦中誘生附加內(nèi)建電場(chǎng)加速電荷分離，同時(shí)賦予無機(jī)鈣鈦礦有效的表面缺陷鈍化和Br-rich保護(hù)，Voc由1.078V提升至1.223V，實(shí)現(xiàn)反向CsPbI2Br電池最高報(bào)道效率15.92%，器件在RH 20%濕度下存放1300 h保持91.7%（Nano-Micro Lett. 2020，12，1-13）。CsPbI3鈣鈦礦具有更適合的帶寬，然而，相變和薄膜非致密問題是其弱點(diǎn)。針對(duì)該問題，采用吡啶羧酸甲胺鹽（MAPyA）進(jìn)行表面原位修復(fù)和鈍化，MAPyA在100℃退火時(shí)分解為甲胺氣體和吡啶羧酸離子，甲胺氣體能夠修復(fù)非致密的薄膜形貌，吡啶羧酸根能夠有效鈍化晶界和表面，其強(qiáng)相互作用可抑制CsPbI3的相變，同時(shí)取向的吡啶羧酸離子能夠隔絕水分子破壞，解決濕度相變問題和薄膜致密問題。器件實(shí)現(xiàn)16.67%效率，這是目前報(bào)道最高的反向無機(jī)鈣鈦礦效率，且未封裝器件在RH 30%空氣中持續(xù)最大功率輸出1800min保持初始效率81.13%，實(shí)現(xiàn)空氣中未封裝無機(jī)鈣鈦礦器件的長(zhǎng)時(shí)間輸出（ACS Energy Lett. 2020，5，3314-3321）。 vVQ wuV
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（a）雙鈍化示意圖；（b）高溫FABr修飾示意圖；（c）原位修復(fù)示意圖；（d）原位修復(fù)器件空氣MPP性能對(duì)比 Cp4 U`]
研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、浙江省自然科學(xué)基金、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究計(jì)劃和國(guó)家高層次人才特殊支持計(jì)劃等的支持。
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