李世彬教授团队在《美国化学学会能源快报》发表研究成果

文:李世彬 图:李世彬 / 来源:光电学院 / 2020-05-13 / 点击量:6663

  近日,光电科学与工程学院李世彬教授团队在国际著名期刊ACS Energy Letters (《美国化学学会能源快报》)上发表题为“Mediator−Antisolvent Strategy to Stabilize All-Inorganic CsPbI3 for Perovskite Solar Cells with Efficiency Exceeding 16%”的论文,介绍了团队提出一种调制中介-反溶剂策略成功制备出稳定高效的纯无机CsPbI3钙钛矿太阳能电池的研究成果。该论文第一作者为博士生张婷,通讯作者为李世彬教授和王峰博士(现北京大学博士后),电子科技大学为论文第一通讯单位。

  发展包括光伏能源在内的清洁可再生能源技术是构建社会可持续发展的关键。近年来有机无机杂化钙钛矿太阳能电池由于其光电性能优异、制备方法简单可控、成本低廉等优点受到了国内外科研及产业界的广泛关注。目前有机无机杂化钙钛矿太阳能电池的效率已经突破25%,逼近商业晶硅电池。然而,有机无机杂化钙钛矿易分解、稳定性较差,这严重阻碍了其商业化应用。CsPbI3作为一种全无机钙钛矿材料不仅兼具组分和热稳定性,合适的带隙(∼1.7 eV)也使得其非常适合应用于单结或叠层太阳能电池,因此具备广阔的发展潜力。然而,由于容忍因子较低导致CsPbI3的黑相稳定性较差,在湿度环境下尤为显著。目前普遍采用的HI酸掺杂稳定黑相方法受到了钙钛矿成分是否是纯无机CsPbI3的质疑,而其他实现黑相稳定手段通常会在薄膜内部引入大量有机绝缘配体及晶界,从而阻碍载流子传输与分离并限制器件效率的提升。因此,探寻一种简单可控的同时提高器件稳定性与效率的方法显得尤为重要。

  李世彬教授团队创新地提出了一种调制中介-反溶剂策略,成功制备出稳定高效的纯无机CsPbI3钙钛矿太阳能电池,最佳光电转换效率高达16.04%(如图一所示)。

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图一 CsPbI3太阳能电池器件结构及最佳光电转换效率图

  在该方法中,起到关键作用的是前驱体溶液中的添加物甲基碘化胺(MAI)有机盐和成膜过程中引入的富勒烯衍生物PC61BM。如图二所示,PC61BM通过C=O与CsPbI3键合降低钙钛矿的临界形核尺寸(r)和形核能(ΔG),从而有效减小晶粒尺寸。同时,PC61BM在340℃退火加热后,其相态朝玻璃相转变,冷却后的PC61BM分子在CsPbI3晶粒表面引入额外应力。这两者使得黑相CsPbI3得以稳定。少量MAI有机盐的添加不仅有利于CsPbI3的溶解,同时,MAI能通过PbI2-MAI-PbI2的相互作用“缝合”相邻的PC61BM-CsPbI3晶粒以改善钙钛矿晶粒的堆叠。而MAI经过高温退火后最终不会存在于无机CsPbI3薄膜内部,仅充当调制中介作用。该方法的提出解决了传统降维方法稳定薄膜黑相和保留薄膜优异光电性能的平衡难题,对无机钙钛矿在光电器件领域的应用具备重要的借鉴意义。

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 图二 CsPbI3薄膜的结晶动力学过程分析示意图

  《ACS Energy Letters》的最新影响因子为16.33,主要发表能源研究中最新、突破性的科学进展。李世彬教授团队研究方向包括光电信息材料、单元器件、集成芯片、系统构建到成果转化等多个方面,涉及有光伏太阳能电池、光电探测器件、半导体发光器件及柔性压力传感器件。李世彬教授作为项目负责人主持科技部重点研发计划、总装预研、预研基金、国家自然科学基金面上项目及省科技厅应用基础重点等多项国家级、省部级项目。迄今为止,在Advanced Materials,Nano Energy,Nano Letters,Journal of Materials Chemistry A等国际著名学术期刊发表多篇论文,其中已有5篇论文入选ESI高被引论文,1篇论文入选为ESI热点论文。


  论文链接:

  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.0c00497




编辑:何易虹  / 审核:林坤  / 发布者:陈伟