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Science:上海交大韩礼元教授在大面积高效率钙钛矿太阳能电池研究上获重要进展

近日,《Science》期刊(影响因子33.6)在线发表了韩礼元教授带领其研究团队及合作者在钙钛矿太阳能电池研究领域取得的重大突破(Science, 2015, DOI: 10.1126/science.aad1015)。这一研究也为该型太阳能电池的产业化未来提供了关键科学技术,这一突破性成果一经发表即受到学术和产业界的广泛关注。

韩礼元教授。图片来源:ecust.edu.cn


该研究发现并制备出了适合于钙钛矿太阳能电池的稳定、高导电性的重掺杂型电荷传输层材料,并探索出了其最优化制备条件,实现了高效率的光生电荷的抽取和分离,同时在大面积范围内成功抑制了薄膜缺陷,消除了钙钛矿太阳能电池常见的迟滞效应。该研究在将电池工作面积提高约10倍的条件下,依然获得能量转化效率为15%的稳定输出,这也使钙钛矿太阳能电池性能指标首次可以与其他类型太阳能电池在同一标准下进行比较。该结果得到国际权威机构AIST的认证,并被收录于2015年第46期《Solar cell efficiency tables》,填补了国际上长期以来该领域的研究空白。


自2009年以来,有机-无机杂化钙钛矿新型太阳能电池吸引了人们广泛关注,在众多类型太阳能电池中异军突起,在2013年曾被《Science》期刊评为10大科学突破之一。随着相关研究的进一步发展和成熟,钙钛矿太阳电池有望获得25%以上的能量转化效率,由于同时具有低成本制备的特点,所以在清洁能源开发以替代日益枯竭的化石能源方面有着广泛的应用前景。然而,虽然电池效率快速攀升,但是在薄膜制备、界面缺陷控制等方面上仍存在相当的困难和复杂性,之前高效率结果大都是在小面积电池器件上获得的,器件迟滞效应明显且稳定性不足,这些结果都限制了其进一步大规模工业化生产。因此,如何实现大面积高效率高稳定性电池,成为当前国际钙钛矿太阳能电池研究领域的前沿焦点问题


在太阳能电池中,高效率的光生电荷分离和传输对电池整体性能的提高至关重要。该研究通过对无机电荷传输层实现重掺杂,在调控能带结构以有利于电荷载流子分离的同时,显著提高了电子和空穴传输效率,并且成功抑制厚度仅为10-20nm的电荷传输层中的电荷复合。重掺杂无机电荷传输层具有较好的化学稳定性,可以保护钙钛矿层从而提高了整体器件的稳定性,保证了电池器件顺利通过国际权威机构在严格测试条件下进行认证过程中的考验。

图片来源:Science, 2015, DOI: 10.1126/science.aad1015


韩礼元教授在上海交通大学材料科学与工程学院领导着一支研发新型太阳能电池的研究团队,同时他还领导着日本物质材料研究机构NIMS)光伏材料中心的研究团队。

韩礼元教授在实验室指导工作。图片来源:上海交通大学


在韩礼元教授的统一领导下,日方和上海交通大学材料科学与工程学院研究团队以及其他合作者携手,历时两年共同完成了上述工作。本研究得益于韩礼元教授长期从事钙钛矿以及染料敏化太阳电池的研究基础以及在他强有力的带领下研究团队成员们的研究热情与努力,包括以往在新材料开发、工作机理研究、稳定性提高以及高效率器件制备和应用上取得的一系列重大进展,相关工作曾多次打破新型太阳能电池的世界认证记录,其研究结果发表在《Energy & Environmental Science》、《Advanced Materials》、《Chemsuschem》等国际著名学术期刊上。本研究还得到了华中科技大学瑞士联邦理工学院的合作与支持。


http://www.sciencemag.org/content/early/2015/10/28/science.aad1015.abstract


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