通訊單位：陝西師範大學
研究亮點:
利用二甲硫醚添加劑提高鈣鈦礦吸光層的質量，製備了效率為18.4%的柔性鈣鈦礦太陽能電池，創造了柔性鈣鈦礦電池的最高效率。
剛性鈣鈦礦太陽能電池效率不斷提升和更新，而柔性鈣鈦礦太陽能電池效率發展緩慢。究其原因，主要侷限於鈣鈦礦吸收層的質量問題。
有鑑於此，陝西師範大學劉生忠教授和楊棟研究員團隊利用二甲硫醚添加劑將柔性鈣鈦礦太陽能電池效率提升到18.4%，大面積（1.2cm2）效率為13.35%，均為目前的最高效率。
圖1 柔性鈣鈦礦太陽能電池世界紀錄
針對鈣鈦礦成膜過程中結晶速度快導致晶粒尺寸較小和結晶性較差的問題，研究人員將二甲硫醚作為添加劑製備鈣鈦礦薄膜。研究發現，在鈣鈦礦前驅體溶液中，二甲硫醚中硫原子的孤對電子可以與鉛的空軌道結合，形成絡合物。利用鈣鈦礦前驅體溶液旋塗製備薄膜，在鈣鈦礦形成過程中，二甲硫醚緩慢從絡合物中解離，鈣鈦礦的結晶速度被有效降低，從而實現了鈣鈦礦多晶薄膜晶粒尺寸的增加和結晶質量的提高。
圖2 添加劑提升鈣鈦礦薄膜的質量
將利用添加劑製備的高質量鈣鈦礦薄膜應用到柔性器件中，電池效率得到明顯提升。光照穩定性測試得到穩態輸出效率為18.34%與I-V測試效率基本一致。另外，柔性鈣鈦礦太陽能電池表現出良好的機械性能，在極小的曲率半徑（4mm）下彎曲5000次後，電池的效率僅降低了18%（源於柔性導電襯底電阻的增加）。
圖3 柔性鈣鈦礦太陽能電池的性能
利用添加劑製備的柔性鈣鈦礦太陽能電池的穩定性得到很大程度的提高。將沒有封裝的柔性電池放置在溼度為35%的環境中60天后，器件效率仍可保持原有效率的86%，而無添加劑的器件效率僅為原有效率的50%。
圖4 柔性鈣鈦礦太陽能電池的穩定性測試
基於添加劑製備的高質量鈣鈦礦吸光層，研究人員同時製備了不同面積的柔性鈣鈦礦太陽能電池，當面積增加到1.2cm2時，效率可達13.35%，是目前大面積柔性鈣鈦礦太陽能電池的最高效率。
圖5 不同面積的柔性鈣鈦礦太陽能電池的性能表徵
利用添加劑製備的鈣鈦礦薄膜缺陷態密度較低，複合電阻增大，穩態熒光淬滅增強，載流子壽命明顯降低，表明其可實現載流子的有效分離、傳輸以及收集，有利於鈣鈦礦太陽能電池性能的提升。
圖6 鈣鈦礦薄膜中載流子性質的表徵
總之，本研究通過添加劑提升了鈣鈦礦吸收層的質量，解決了柔性鈣鈦礦太陽能電池效率低的問題。
閱讀更多 化學達人69 的文章
