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任晓雪、王继飞共一作论文被《Nature Materials》期刊接收,Congratulations!
发布时间:2024-03-21

      近日,课题组与何军教授团队在国际顶级期刊《自然-材料》(Nature Materials)发表题为“Mobile iodides capture for highly photolysis-and reverse-bias-stable perovskite solar cells”的研究论文。中南大学为该成果的第一署名单位和通讯单位。

      光伏技术是实现“双碳”目标的重要新质生产力。基于有机金属卤化物钙钛矿的太阳电池(PSCs)效率与硅电池媲美(>26%),并且比硅电池成本更低,兼具轻便、柔性的优势,在未来可广泛用于光伏发电站、建筑外立面、能源汽车、飞行器等场景,对支撑我国实现“碳达峰、碳中和”目标具有重要战略意义。

      钙钛矿太阳电池的高发电效率与材料内部铅-碘(Pb-I)键构成的无机框架有关。但是,构成钙钛矿的Pb-I键键能不强,在包含“光场/电场/热应力”的实际工作条件下易断裂。这是钙钛矿材料不如其它光伏材料稳定的根源,无法通过电池封装技术解决。由于材料含有大量碘,Pb-I键断裂产生的碘单质在光照下一边破坏晶体结构,一边诱导形成更多有害单质碘,使钙钛矿的分解呈自加速趋势。这使钙钛矿太阳电池在运行时不耐紫外线、不耐升温。此外,钙钛矿内的碘离子存在易迁移问题,短暂的反向电偏压(可由落在光伏面板上的阴影所诱导)将迅速导致钙钛矿电池灾难性毁坏。

      鉴于此,本研究在不改变使用基于“铅-碘键”材料的前提下,提出在钙钛矿电池中引入“碘捕获”策略,从器件物理层面解决上述材料层面的矛盾。通过界面引入的亲碘材料,动态捕获并净化钙钛矿层中偶然产生的碘单质和碘自由基,将材料的自加速分解抑制在萌芽阶段;另一方面,通过“碘捕获”策略抑制碘离子从活性层向外的迁移,使碘缺陷的演变在钙钛矿层内形成闭循环,促进材料的持续性自修复。该研究克服了钙钛矿电池电压耐受性差问题,将反向偏压稳定性提高1000倍;改善了电池的光稳定性,将“85°C-太阳光直射”苛刻老化条件下的电池寿命提升10倍以上,将电池可承受的紫外辐照剂量提升至“IEC-61215”国际老化标准的12倍。通过本项基础性研究,中南大学团队用实验论证了Pb-I键的断裂对钙钛矿电池稳定性不构成威胁,同时钙钛矿的反向偏压稳定性不会阻碍其走向应用。


左:富勒烯C60和碘代全氟葵烷PFI界面亲碘材料在碘捕获方面的区别示意图;右:中南大学团队将钙钛矿电池的电压稳定性提高1000倍


      中南大学何军教授团队为本项目研究提供了拉曼光学分析,为确立有害碘的存在形态及界面聚集行为提供了支撑。博士生任晓雪和王继飞博士是本论文共同第一作者。该研究工作得到了国家科技部重点研发项目、国家自然科学基金面上项目、长沙市揭榜挂帅项目、中南大学创新驱动等项目基金支持。

      备注:《Nature Materials》期刊属于多学科刊物,重点关注材料、物理和化学等领域的前沿进展,内容覆盖:工程和结构材料、有机和软材料、仿生材料、光学材料、光电材料、磁性材料、超导材料、催化材料、能源材料、纳米材料和过程等。文章链接:https://www.nature.com/articles/s41563-024-01876-2