【儀表網 研發快訊】近日，中國科學院國家納米科學中心研究員周惠瓊等在Dion-Jacobson型鈣鈦礦太陽能電池的材料設計與穩定性研究方面取得進展。該研究合成設計了系列具有層間輕微位移的Dion-Jacobson型鈣鈦礦材料，并實現了該材料在準二維鈣鈦礦太陽能電池刮涂工藝上的最高轉換效率19.11%，以及超過6000小時最大功率點下的運行穩定性。相關研究成果以Ultrastable and efficient slight-interlayer-displacement 2D Dion-Jacobson perovskite solar cells 為題，發表在《自然-通訊》(Nature Communications)上。
效率、穩定性和可拓展的大面積器件制備技術是鈣鈦礦太陽能電池實際應用的三個關鍵。相比于三維鈣鈦礦太陽能電池，二維鈣鈦礦中的Ruddlesden-Popper型和Dion-Jacobson型太陽能電池具有優異的穩定性和器件性能。在效率上，這兩種類型的鈣鈦礦太陽能電池轉換效率普遍低于19%。該團隊利用锍陽離子輔助中間相工程調控Ruddlesden-Popper型鈣鈦礦太陽能電池性，實現了19.08%的光電轉化效率。而關于提升Dion-Jacobson型太陽能電池的光電轉化效率性能的研究相對不足。在穩定性上，理論上Dion-Jacobson型較Ruddlesden-Popper型鈣鈦礦具有更好的穩定性，但實際報道顯示目前發現的Dion-Jacobson型鈣鈦礦在大氣環境中的穩定性相對較差。在大面積工藝上，Dion-Jacobson型鈣鈦礦缺乏研究，而Ruddlesden-Popper型鈣鈦礦在刮涂工藝上已實現約16%的轉換效率。因此，開發性能優異穩定的Dion-Jacobson型鈣鈦礦材料，并實現高效、穩定及可拓展大面積的器件工藝具有挑戰性。
鑒于此，該研究利用柔性的1,4-環己烷二甲銨合成設計了一系列新型的輕微層間位移型Dion-Jacobson鈣鈦礦材料。研究發現，這類材料具有優異的濕度、熱穩定性及光照穩定性。進一步，研究采用刮涂工藝制備了系列Dion-Jacobson型鈣鈦礦太陽能電池，并在n=5的鈣鈦礦組分中獲得最高轉換效率19.11%。這一效率是目前基于準二維鈣鈦礦電池刮涂工藝最高的轉換效率。同時，未封裝電池在~90%相對濕度老化條件下4000小時后可保持初始效率的92%。此外，這些電池表現出較好的熱穩定性和運行穩定性，在經過超過5000小時的熱處理后，或在100 mW cm-2連續光照下在45°C下以最大功率點運行超過6000小時后，效率損失可忽略不計。上述成果為高效穩定的準二維鈣鈦礦電池制備及產業化提供了借鑒。
研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中國科學院戰略性先導科技專項、湖南省自然科學基金等的支持。
國家納米中心關于Dion-Jacobson型鈣鈦礦太陽能電池的研究獲進展
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