- 時間：2024-02-26
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- 來源：人民日報
前不久，西湖大學(xué)王睿研究組聯(lián)合浙江大學(xué)薛晶晶研究組，發(fā)明了一種“缺陷鈍化”新方法，能最大限度抑制高濃度下鈍化劑分子對鈣鈦礦晶格的侵蝕，進而保證界面電荷的順利傳輸，使鈣鈦礦太陽能電池保持出色的光電轉(zhuǎn)化效率和器件穩(wěn)定性。相關(guān)論文日前在線發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《焦耳》。
能夠?qū)⒐饽苻D(zhuǎn)化為電能的鈣鈦礦電池，其單片小面積的光電轉(zhuǎn)化率在實驗室已達到25%甚至更高，被認為是繼硅太陽能電池之后的又一理想新能源電池。然而，在鈣鈦礦電池制備過程中，有一個繞不過去的環(huán)節(jié)：離子缺失。
據(jù)論文的共同通訊作者王睿研究員介紹，鈣鈦礦分子有著獨特的結(jié)構(gòu)，分子結(jié)構(gòu)中的一些離子構(gòu)成一個八面體的立方晶格，像一個獨立的積木結(jié)構(gòu)。不同的離子元素組合，會有不同的性能和效果。當(dāng)無數(shù)鈣鈦礦分子聚集在一起，會構(gòu)成更大的規(guī)整立體結(jié)構(gòu)。在制備鈣鈦礦電池的過程中，經(jīng)常會發(fā)生離子缺失。這樣的情況，被稱為“缺陷”。
克服“缺陷”的方法便是“鈍化”。所謂“鈍化”，就是補上缺失的部位，或者是讓這個缺失更難形成。王睿介紹，目前鈍化劑有很多類型，無論是固體、液體或者氣體形態(tài)的鈍化劑，都會被“滴”在鈣鈦礦薄膜表面。這個過程，就是“缺陷鈍化”。鈣鈦礦電池出廠之前，都必須經(jīng)過“缺陷鈍化”這一關(guān)鍵步驟。
隨著電池器件運行時間的延長，鈣鈦礦電池表面的缺陷“濃度”也會隨之增加，即電池會產(chǎn)生“計劃外”的缺陷。比如，放在太陽光下照射，某些離子有可能會產(chǎn)生遷移；同時，電池使用時間長了，也可能會產(chǎn)生新的缺陷。
王睿介紹，目前鈍化劑的濃度通常針對新鮮制備的器件而設(shè)計，為盡可能不損傷電池，鈍化劑濃度也被保持在一個盡可能低的數(shù)量級。然而，初始低濃度的鈍化劑無法持續(xù)“鈍化”越來越多新產(chǎn)生的缺陷。原則上，如果起初使用高濃度的鈍化劑，或許可以在后續(xù)新缺陷出現(xiàn)時再對它們進行處理。但這一策略至今尚未取得成功，因為高濃度的鈍化劑往往對器件性能產(chǎn)生不利影響。
在使用一系列分子作為電池鈍化劑的測試實驗中，研究團隊察覺到了有一類分子——三聯(lián)吡啶分子，電池對它的濃度“不敏感”。研究人員用這類分子作為鈍化劑，并把分子的濃度提高到了常規(guī)使用濃度的20倍。多種驗證手段發(fā)現(xiàn)，即便在高濃度的情形下，這類分子也可以有序地堆砌在鈣鈦礦表面，對鈣鈦礦的晶格破壞小，且其堆砌的方向有利于界面電荷的提取和傳輸。
三聯(lián)吡啶分子的這種特性，能在不降低電池器件性能的情況下，對鈣鈦礦進行高濃度鈍化，從而提高了鈍化效果的耐久性。實驗數(shù)據(jù)顯示，經(jīng)過三聯(lián)吡啶處理的鈣鈦礦表面器件表現(xiàn)出高達25.24%的光電轉(zhuǎn)換效率和出色的器件穩(wěn)定性，在標(biāo)準測試條件下運行2664小時后仍保持90%的初始效率。