MOF材料推动钙钛矿太阳能电池工业化,将铅泄漏降至最低

MOF材料推动钙钛矿太阳能电池工业化,将铅泄漏降至最低

有机-无机卤化铅钙钛矿太阳能电池(perovskite solar cell, PVSC)的认证功率转换效率(power conversion efficiency, PCE)已经达到了25.2%的新高,可与市场主导的无机光伏技术(包括多晶硅(p-Si)、铜铟镓硒和碲化镉)相媲美。然而,PVSC在光照、高温等环境下的可靠性以及稳定性仍然值得研究。目前,主要采用成分和晶体工程、封装、电极选择、缺陷钝化和界面修饰等策略排除外部环境的影响来延长器件的寿命。但是,PVSC长期持续运行时的稳定性还未实现,阻碍了其大规模的工业化。此外,相较于热稳定和化学稳定性良好,不易溶于水且毒性更低的碲化镉材料,含铅的钙钛矿材料更容易溶于雨水。

金属有机骨架(metal-organic framework)能够增强光伏性能,最近被广泛应用于钙钛矿光伏领域。例如,将MOF作为支架来引导钙钛矿的生长,或是作为添加剂/表面修饰剂来钝化钙钛矿的缺陷,从而提高器件的性能和稳定性。然而,由于大部分MOF材料载流子迁移率较低,很难用作高效的电荷传输层(charge-transporting layer, CTL)。此外,PVSC中使用的MOF材料多为未功能化的原型,缺乏与PVSC集成所需的各种化学功能。

近日,香港城市大学的徐政涛教授、朱宗龙教授以及Alex K.-Y. Jen教授团队对2D共轭的MOF材料进行硫醇功能化,并将其作为钙钛矿/阴极界面处的电子萃取层(electron-extraction layer, EEL)制备了太阳能电池器件。器件的功率转换效率(PCE)高达22.02%, 长期运行稳定性大大提高。在加速测试下(85℃,最大功率点连续光照1000小时),器件仍然能够保持90%以上的初始效率。更加重要的是,功能化的MOF材料形成了不溶于水的复合物封装层,捕获了钙钛矿材料泄漏出的超过80%的Pb2+离子。这个方法同时解决了钙钛矿太阳能电池的运行稳定性和铅污染问题,大大推动了钙钛矿光伏技术的大规模工业化。该研究以题为“2D metal–organic framework for stable perovskite solar cells with minimized lead leakage”的论文发表最新一期的《Nature Nanotechnology》上。

超过80%的泄漏铅离子被捕获在MOF顶层,以减轻潜在的环境影响。
超过80%的泄漏铅离子被捕获在MOF顶层,以减轻潜在的环境影响。
与r-PVSC(无MOF的PVSC)相比,从老化的M-PVSC(具有MOF的PVSC)中提取的水溶液中铅浓度急剧下降。这归因于MOF中密集的巯基和二硫化物基团与泄漏的铅离子之间化学反应
与r-PVSC(无MOF的PVSC)相比,从老化的M-PVSC(具有MOF的PVSC)中提取的水溶液中铅浓度急剧下降。这归因于MOF中密集的巯基和二硫化物基团与泄漏的铅离子之间化学反应

作者对2D MOF材料进行功能化,并将其作为电子萃取层制备了有机-无机卤化铅钙钛矿太阳能电池。器件的功率转换效率达到了22%,且长期运行稳定性得到大大提高。更重要的是,含硫醇的MOF可以通过形成不溶于水的复合物,捕获大部分泄漏的Pb2+(超过80%)。上述结果证明了多功能MOFs大大推动了稳定、环保的有机-无机卤化铅钙钛矿太阳能电池的发展与工业化。[高分子科学前沿]

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