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如何刷新鈣鈦礦太陽能電池效率的世界紀(jì)錄？

來源: X-MOL 2017-08-02 14:48:37

就像是金庸小說中各家頂尖高手要“華山論劍”爭奪武功天下第一，光伏界尤其是目前熱門的鈣鈦礦太陽能電池領(lǐng)域的研究團(tuán)隊(duì)也一直在你追我趕，期望自己器件的光電轉(zhuǎn)換效率能獨(dú)步江湖。說到光電轉(zhuǎn)換效率，就不得不提到Newport公司。Newport是一家權(quán)威的效率認(rèn)證機(jī)構(gòu)，得到了美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室的授權(quán)，出具全球不同光伏技術(shù)的最高光電轉(zhuǎn)換效率表。不久前，Newport更新了鈣鈦礦太陽能電池的認(rèn)證最高效率——22.1%。可是，這個(gè)創(chuàng)紀(jì)錄的電池如同金庸小說里的頂尖高手一樣，帶有許多神秘感，研究人員等了相關(guān)文獻(xiàn)好久卻一直沒有看到。直到最近，一篇Science 論文才揭開了它的面紗。

這一新紀(jì)錄來自韓國科學(xué)家——蔚山國立科學(xué)技術(shù)研究所（UNIST）的Sang Il Seok教授、韓國化學(xué)技術(shù)研究所（KRICT）的Jun Hong Noh博士和漢陽大學(xué)的Eun Kyu Kim教授等人。這一次，他們改進(jìn)了他們之前發(fā)明的基于分子內(nèi)交換（intramolecular exchange）的兩步法（Science, 2015, 348, 1234-1237，點(diǎn)擊閱讀詳細(xì)），通過引入額外的碘離子，制備出缺陷更少的高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜。由此所制得的小面積太陽能電池的認(rèn)證效率達(dá)到22.1%，而大面積（1 cm2）電池的認(rèn)證效率也達(dá)到19.7%。

Sang Il Seok教授（后排左四）研究團(tuán)隊(duì)。圖片來源：UNIST

對于鈣鈦礦太陽能電池來說，形成一層均勻致密的高質(zhì)量無機(jī)-有機(jī)雜化鈣鈦礦材料薄膜是提高效率的關(guān)鍵，而缺陷會(huì)降低器件的開路電壓和短路電流密度，拖累電池性能，當(dāng)然應(yīng)該控制的越少越好。理論研究表明，類似空位和間隙的點(diǎn)缺陷形成能量較低，是甲胺鉛碘（MAPbI3）鈣鈦礦中最有可能出現(xiàn)的缺陷。另外，陽離子取代和反位取代也會(huì)形成。盡管多數(shù)空位缺陷形成接近帶隙的淺電子能級，但深能級缺陷（類似間隙和反位缺陷）的形成會(huì)導(dǎo)致非輻射復(fù)合中心數(shù)增多，降低光電轉(zhuǎn)換效率。作者之前開發(fā)的基于分子內(nèi)交換的兩步法，能制備較高質(zhì)量的甲脒鉛碘（FAPbI3）鈣鈦礦，但也容易形成一種碘缺乏中間產(chǎn)物[(Pb3I8)n]2n?。因此，作者想到引入額外的碘離子來解決這個(gè)問題。

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