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光电学院李世彬教授课题组在Applied Physics Reviews发表Featured Article
文:光电学院 图:光电学院 来源:光电学院 时间:2024-02-18 8153

  2023年12月,《应用物理评论》(Applied Physics Reviews)期刊在线发表了电子科技大学光电科学与工程学院李世彬教授课题组的最新科研进展《Synchronized B-site alloying for high-efficiency inorganic tin–lead perovskite solar cells》,论文同时被选为Featured Article在官网首页展示(https://doi.org/10.1063/5.0162009)。该工作首次在无机铅锡钙钛矿半导体内原位观察并仿真验证了半导体薄膜内的B位异步结晶现象,实现了通过调控B位协同作用生长稳定且高质量的无机Pb-Sn钙钛矿策略,为实现高效率和超高稳定性的无机Pb-Sn钙钛矿光伏器件提供了新的技术路线。

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  铅锡钙钛矿半导体因具备本征组分稳定性及拥有理想光学带隙,被认为是新一代光伏光敏材料的最佳选择之一。然而,目前报道的全无机铅锡钙钛矿太阳能电池效率低下且器件稳定性较差,影响光伏器件性能的薄膜结晶机理也未被充分挖掘和证明。为了解决这些问题,铅锡钙钛矿半导体的研究近年来备受关注。

  近日,电子科大团队利用光学原位监测和分子动力学仿真验证首次证实了Pb-Sn钙钛矿半导体薄膜内的B位异步结晶现象。传统的无机Pb-Sn钙钛矿在前驱体及半导体薄膜结晶生长过程中,优先发生CsSnI3的形核及晶体生长(图1)。在前驱体中创新地引入吡嗪分子,使得分子间与SnI2相互作用力阻碍CsSnI3的优先形核和晶体生长,最终导致CsSnI3形成能提高,实现B位Pb-和Sn-钙钛矿半导体的同步形核及结晶生长(图2和3)。其中,通过SIMS测试发现薄膜表面和截面的Pb、Sn元素分布也更均匀(图1)。相较于传统一步法的无机Pb-Sn钙钛矿,同步结晶诱导的Pb-Sn半导体不仅均匀、致密且缺陷态较低,其空气稳定性和热稳定性也显著提高(图1)。

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图1 传统一步法和采用B位同步结晶方式制备的无机Pb-Sn钙钛矿对比

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图2 传统一步法和采用B位同步结晶方式制备的无机Pb-Sn钙钛矿结晶过程对比

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图3 传统一步法和采用B位同步结晶方式的无机Pb-Sn钙钛矿分子动力学模拟计算

  利用B位同步结晶的方式获取的无机Pb-Sn钙钛矿最终获得了17.55%的高效光电转换效率,这是迄今为止无机Pb-Sn钙钛矿太阳能光电转换效率的最高记录值。更重要的是,采用该方法制备的未封装电池器件在氮气气氛下储存4000h效率几乎无衰减,在光照700h后效率仅衰减10%(图4)。

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图4 传统一步法和采用B位同步结晶方式制备的无机Pb-Sn钙钛矿光伏电池性能对比

  该研究拓展了团队在钙钛矿光电器件方向的前期工作,与北京理工大学喻志农教授、青年教师王峰,美国肯塔基大学陈志教授展开合作;光电学院博士后张婷为论文的第一作者;李世彬教授、特聘副研究员王峰是该论文的通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、四川省科技厅创新群体、中国博士后科学基金、四川恒立聚能光电科技有限公司等项目的支持。

  期刊简介:

  《应用物理评论》(Applied Physics Reviews)是美国物理联合会(American Institute of Physics)旗下的物理学顶级期刊,旨在发表应用物理学领域重要而新颖的高质量研究成果或权威而全面的综述,年文章刊载量仅100余篇。

  文章原文链接:https://doi.org/10.1063/5.0162009

  Ting Zhang, et al. Synchronized B-site alloying for high-efficiency inorganic tin–lead perovskite solar cells. Appl. Phys. Rev. 10, 041417 (2023)

编辑:李果  / 审核:李果  / 发布:陈伟

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