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小离子带来大问题:钙钛矿太阳能电池的外源离子迁移

有机无机杂化钙钛矿太阳能电池是当前太阳能光伏领域的研究热点。钙钛矿太阳能电池可以用溶液法制备,同时具有较高的光电转化效率,未来有望像印刷报纸一样印刷太阳能电池,使低成本太阳能电池走进千家万户。


与传统的薄膜电池不同,钙钛矿太阳能电池在不同的测试条件下(不同电压扫描方向和速度),会表现出不一样的电流-电压(J-V)特性,这一现象是钙钛矿电池特有的迟滞效应。由于迟滞效应的存在,钙钛矿电池的光电转化效率不能简单地用J-V曲线测量,电池在串并联形成组件时迟滞效应更加严重。关于迟滞效应产生的原因众说纷纭,但目前普遍接受的观点是钙钛矿材料中的离子(CH3NH3+、I-等)在电场作用下发生迁移,导致电池界面发生变化。近日,美国可再生能源国家实验室(NREL)的朱凯点击查看介绍研究团队发现外源离子(Li+、H+、Na+)也可以在钙钛矿电池中迁移并造成迟滞,而且由外源离子产生的迟滞效应甚至大于钙钛矿的本征离子。该发现首次揭示了外源离子在钙钛矿太阳能电池中发挥的重要作用,并且可以解释不同结构钙钛矿电池之间的迟滞效应(反式结构电池通常不添加外源离子,迟滞效应通常较小)。


作者首先发现在空穴传输层(spiro-OMeTAD)中掺杂不同量的锂盐时,随锂盐添加量的增加电池的迟滞现象逐渐增大,而在没有添加锂盐的电池中几乎观察不到迟滞。在spiro-OMeTAD中添加锂盐通常是为了提高导电性,但迟滞现象的变化促使他们深入研究锂盐可能发挥的其他作用。作者通过飞行时间二次离子质谱(TOF-SIMS)发现,Li+离子会扩散迁移到钙钛矿电池的内部,并在TiO2层中富集。研究人员进一步通过瞬态荧光(TRPL)和凯尔文表面电势显微镜(KPFM)等实验证明电池中的Li+会被电场驱动迁移并嵌入TiO2的表面,改变钙钛矿/TiO2界面的电场,从而影响界面内的电荷分离效率。通过比较有无Li+离子钙钛矿电池的迟滞现象,可以发现钙钛矿自身离子迁移产生的迟滞较小且响应较慢,而外源离子Li+产生的迟滞较大,响应也更快。因此,外源离子对钙钛矿太阳能电池的影响不容小觑。

他们还进一步研究了其他外源离子对钙钛矿太阳能电池的影响,发现H+和Na+离子对电池也具有类似的影响,加入这些离子后电池的迟滞现象也得以加大。这些结果进一步表明了外源离子迁移对钙钛矿太阳能电池的重要影响,对钙钛矿太阳能电池的性能和长期稳定性都可能造成影响。外源离子迁移可能的扩展应用包括利用电场控制离子进出钙钛矿材料,有望实现对其光电性能的电致调控。这一成果近期发表在Energy Environmental Science 上,文章的第一作者是美国可再生能源实验室的李祯博士。


该论文作者为:Zhen Li, Chuanxiao Xiao, Ye Yang, Steven P. Harvey, Dong Hoe Kim, Jeffrey A. Christians, Mengjin Yang, Philip Schulz, Sanjini U. Nanayakkara, Chun-Sheng Jiang, Joseph M. Luther, Joseph J. Berry, Matthew C. Beard, Mowafak M. Al-Jassim and Kai Zhu

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Extrinsic ion migration in perovskite solar cells

Energy Environ. Sci., 2017, 10, 1234-1242, DOI: 10.1039/C7EE00358G


导师介绍

朱凯

http://www.x-mol.com/university/faculty/41621


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