上海交通大学材料学院韩礼元团队再次刷新无铅钙钛矿太阳能电池权威机构认证效率

继9.2%(Sci China Chem, 2020, 63: 107–115),10.08%(Nat. Commun., 2020, 11:2678), 10.2%(Joule, 2020, 4: 902-912)之后,上海交大韩礼元教授,王言博助理教授再次刷新无铅钙钛矿太阳能电池权威机构认证效率至11.2%。

经过十多年的发展,有机-无机卤化铅半导体作为光吸收材料的钙钛矿太阳电池实现了高光电转换效率且其稳定性也逐步得到改善。但是,铅泄漏的风险可能会阻碍其大规模的商业化。解决方法之一就是研究无铅钙钛矿光电材料。其中,锡钙钛矿具有理想的带隙、低激子结合能和高载流子迁移率等优点,成为最有前途的下一代钙钛矿光电材料。然而,锡钙钛矿结晶速度过快且易于氧化,从而使其难以制备出平整,低缺陷态密度的高质量薄膜,限制了锡钙钛矿太阳电池性能。

有鉴于此,韩礼元教授团队近期于国际一流期刊Energy & Environmental Science发表了无铅钙钛矿太阳电池的最新进展。通过预处理方法重构了锡钙钛矿中间态,诱导锡钙钛矿晶体的模板化生长,进一步降低了锡钙钛矿薄膜中的缺陷态密度,提高了薄膜质量。

图1 锡钙钛矿薄膜制备过程示意图与结构表征

图1 锡钙钛矿薄膜制备过程示意图与结构表征

扫描电子显微镜图像表明,正丙基碘化铵溶液预处理能够重构锡钙钛矿中间态,正丙基碘化铵位于晶界处起到模板作用,改善了锡钙钛矿结晶。X射线衍射图谱表明,模板化生长的锡钙钛矿结晶强度得到明显提高,摇摆曲线表明薄膜中缺陷态密度显著降低。

图2 器件性能

图2 器件性能

由于低缺陷态密度,器件表现出优异的工作稳定性,由此获得权威机构认证的世界最高稳定效率(11.22%),在一个标准太阳光强下连续工作1000小时后,仍然保有初始效率的95%以上。

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