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混合溶剂退火实现低温高效钙钛矿太阳能电池

注:文末有研究团队简介及本文科研思路分析


有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池因兼具低成本溶液加工和优异的光电转换性能在国际上备受关注。因具有较大吸光系数、长载流子寿命、高电荷迁移率以及极低缺陷态密度等优势,钙钛矿太阳能电池在过去的短短几年中有了跳跃式的发展,目前其光电转换已经超过20%,已经可以和传统的硅电池相比拟。而与其他种类的太阳能电池相比,钙钛矿太阳能电池的成本低、制备方便、可以使用低温工艺、与柔性衬底相兼容等,接近可以商业化的水平。


西安电子科技大学张春福教授与常晶晶教授的研究团队最近在Nano Energy 报道了一种有效提高钙钛矿薄膜结晶质量的方法,基于这种方法制备的倒置(p-i-n)结构的平面异质结钙钛矿太阳能电池能量转换效率达到了接近19.0%。在该工作中,该团队使用不同溶剂气氛对钙钛矿薄膜进行退火处理,实验表明,通过在不良混合溶剂(IPA:DMF=100:1(v/v))气氛下退火,钙钛矿结晶质量明显提高,晶粒尺寸明显增大,吸光能力增强。基于上述方法制备的平面型钙钛矿太阳能电池表现出了优异的光电转换效率,相比未使用溶剂退火的器件,其转化效率提高了32%,同时无迟滞现象,长时间存放的稳定性也得到显著的提高。


鉴于其简单低成本的制备方法和优异的光电性能,该钙钛矿电池优异的性能可应用于低成本、柔性、便携式能源;也可用于电池的产业化,如与传统硅基太阳能电池进行集成,从而进一步提升电池组件的效率等。


这一成果发表在Nano Energy 上,文章的第一作者是西安电子科技大学的硕士研究生孙旭


该论文作者为:Xu Sun, Chunfu Zhang, Jingjing Chang, Haifeng Yang, He Xi, Gang Lu, Dazheng Chen, Zhenhua Lin, Xiaoli Lu, Jincheng Zhang, Yue Hao

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Mixed-solvent-vapor annealing of perovskite for photovoltaic device efficiency enhancement

Nano Energy, 2016, 28, 417-425, DOI: 10.1016/j.nanoen.2016.08.055


张春福教授简介


西安电子科技大学教授,博士生导师。博士毕业于新加坡国立大学,随后在新加坡国立大学从事博士后研究。2010年加入宽带隙半导体国家重点实验室之后,从事信息及能源相关的研究,承担和参与国家自然科学基金、国家重大科技专项、973计划等项目多项,在IEEE Trans. Electron DevicesIEEE Photonics JournalApplied Physics LettersSolar Energy Materials & Solar CellsOrganic ElectronicsACS Applied Materials and Interfaces等国际著名期刊及会议上发表论文50余篇,申请专利多项。


常晶晶教授简介


西安电子科技大学教授,博士生导师,中组部“青年千人”。于2010年获得四川大学学士学位,之后前往新加坡国立大学攻读博士学位。2014年毕业后继续在新加坡国立大学从事研究员工作。2015年加入西安电子科技大学微电子学院。主要从事有机电子器件、柔性印刷器件、有机及钙钛矿太阳能电池的研究工作等。先后主持了国家自然科学基金、青年千人人才计划项目、陕西省科协托举人才计划项目等,并以主要完成人参与了新加坡科技局科学与工程研究理事会(SERC Grant)、新加坡教育部(Ministry of Education grant)等十多个项目。截止目前,在Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Electron. Mater.等专业顶级期刊上发表SCI论文50余篇,部分研究成果被Materials Views China、Synfacts等网站作为研究亮点进行报道,多篇文章入选年度热点文章,另有一篇ESI高被引文章,同时拥有一项授权的美国发明专利。


科研思路分析


1. 研究的目的及想法

研究的目的是研究实现高性能及高稳定性的钙钛矿太阳能电池。目前,钙钛矿太阳能电池因电池效率高,可溶液处理,成本低,吸光强等优势受到越来越多的关注。但是在钙钛矿的成膜过程中,晶体生长难控制导致薄膜形貌差,从而在一定程度上降低了器件的效率。我们团队通过调节前驱体组分、引入掺杂剂、利用溶剂工程、表面钝化等途径有效的改善了钙钛矿薄膜的形貌,并结合界面工程等手段有效的提升了钙钛矿电池的效率,为低成本、高性能的电池组件奠定了基础。


2. 研究的最大挑战:

钙钛矿薄膜的形貌对于器件的效率及稳定性起着至关重要的作用,然而钙钛矿薄膜层的微观结构及形貌难以控制,其结晶尺寸对于溶剂、制备工艺、退火条件等依赖性较高,因此如何控制优化途径,找到最优条件,并成功的提升器件性能是一个比较大的挑战。在实验过程中,各种外界因素往往对器件的影响比较大,所以精确的控制器件制备条件及提高器件的可重复性是至关重要的。


3. 本研究成果的重要应用及贡献:

本项研究成果对于钙钛矿电池性能提升具有一定的指导作用,通过相关优化途径,目前我们的钙钛矿电池效率达到19%以上,对于柔性或叠层太阳能电池的实现至关重要。同时可与印刷工艺相结合,对于钙钛矿电池的批量制备及产业化具有一定的推动作用。钙钛矿太阳电池的出现不仅对现有的太阳电池行业造成了很大的冲击,更重要的是钙钛矿太阳电池将对整个社会的进步与经济的发展都具有极其重要的战略意义。


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