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華南理工大學(xué)嚴克友團隊Nature:勇闖“無人區(qū)” 實現(xiàn)鈣鈦礦太陽能電池重大突破

來源:華南理工大學(xué)      2024-12-02
導(dǎo)讀:華南理工大學(xué)嚴克友教授團隊針對鈣鈦礦電池光熱穩(wěn)定性差的行業(yè)難題,利用綠色配體演變策略,調(diào)控全無機窄帶隙鈣鈦礦薄膜的成核結(jié)晶,成功制備了全球首個2端全無機鈣鈦礦疊層電池,85 ℃光熱穩(wěn)定性老化測試表現(xiàn)良好。相關(guān)成果以“Durable all Inorganic perovskite tandem photovoltaics”為題發(fā)表在Nature上。
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段程皓博士為本文第一作者,嚴克友教授為唯一通訊作者,華南理工大學(xué)為第一完成單位,論文合作者包括德國Christoph J. Brabec教授,瑞典林雪平大學(xué)高峰、王鋒教授,香港中文大學(xué)路新慧教授,國家納米中心丁黎明研究員等。該工作得到了海外高層次人才計劃、國家自然科學(xué)基金,廣東省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團隊及青年拔尖人才計劃、興華人才計劃的基金的大力支持。


用無機陽離子(如Cs+)取代有機陽離子(如甲銨基(MA+)和甲脒(FA+))制備的全無機鈣鈦礦是提高鈣鈦礦太陽能電池長期光穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性的有效途徑。同時,為了實現(xiàn)更高的光伏效率,實現(xiàn)由多個帶隙子電池組成的疊層太陽能電池是一種可行的方法。無機鉛鈣鈦礦的固有帶隙(1.7-2.3 eV)適合作為疊層太陽能電池的寬帶隙頂電池。利用Pb-Sn混合制備的無機鈣鈦礦可將帶隙縮小到1.25?1.40 eV,適用于疊層太陽能電池的窄帶隙底電池。因此,全無機鈣鈦礦疊層太陽能電池有望打破效率瓶頸,并解決鈣鈦礦電池光熱穩(wěn)定性差的問題。然而,錫離子誘導(dǎo)的較差薄膜形貌和深陷阱態(tài),無機窄帶隙鈣鈦礦太陽能電池的效率較低,導(dǎo)致目前還沒有關(guān)于2端全無機鈣鈦礦疊層太陽能電池的報道。


該團隊采用對甲苯磺酰肼的配體演變策略制備了帶隙為1.31 eV的無機窄帶隙CsPb0.4Sn0.6I3鈣鈦礦太陽能電池。配體演變策略實現(xiàn)了一箭三雕的作用,即:低溫處理階段對甲苯磺酰肼作為配體調(diào)控鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶過程,高溫處理時將薄膜中的Sn4+還原成Sn2+少深能級陷阱態(tài),同時對甲苯磺酰肼的生成產(chǎn)物對甲苯磺酸又可以作為新的配體鈍化鈣鈦礦薄膜的缺陷態(tài)。帶隙1.31 eV的CsPb0.4Sn0.6I3鈣鈦礦太陽能電池獲得了17.41%的破紀錄效率。結(jié)合帶隙為1.92 eV的CsPbI2Br頂電池,首次成功構(gòu)建了效率為22.57%(認證為21.92%)的2端全無機鈣鈦礦疊層太陽能電池。


全無機鈣鈦礦疊層電池的成功構(gòu)建,有望在未來解決有機-無機雜化鈣鈦礦疊層太陽能電池光熱穩(wěn)定性差的問題。未來,該團隊將針對減少無機寬帶隙子電池的電壓損耗、提高無機窄帶隙子電池的穩(wěn)定性以及減少復(fù)合層連接時的電壓損耗,降本增效等開展進一步的研究。


論文鏈接:


https://www.nature.com/articles/s41586-024-08432-7


主要作者簡介


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段程皓博士,本文第一作者,華南理工大學(xué)助理研究員。在華南理工大學(xué)獲得博士學(xué)位(師從嚴克友教授),并先后在華南理工大學(xué)(合作導(dǎo)師嚴克友教授)和香港中文大學(xué)(合作導(dǎo)師路新慧教授)從事博士后研究。主要從事半導(dǎo)體功能納米材料合成、無機鈣鈦礦太陽能電池以及疊層器件的研究,取得了一系列的研究成果。近五年在國際著名期刊上發(fā)表30多篇SCI期刊論文,包括Nature,Energy Environ. Sci.,Adv. Mater.,Angew. Chem.,Adv. Energy. Mater等。


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嚴克友教授,本文通訊作者,海外高層次引進人才,環(huán)境與能源學(xué)院環(huán)境與能源融合教研所所長,發(fā)光材料與器件國家重點實驗室成員,碩/博導(dǎo)。長期從事太陽能轉(zhuǎn)化、儲存和利用研究,在Nature,J. Am. Chem. Soc.,Energy Environ. Sci.,Adv. Mater.,Angew. Chem.,Adv. Energy. Mater等國際學(xué)術(shù)期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文150余篇,文章被引萬余次,多次被學(xué)術(shù)媒體報道。主持海外高層次人才、廣東省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團隊及青年拔尖項目等,獲得教育部自然科學(xué)二等獎等。


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