天然抗紫外线化学成分界面修饰以及Co卟啉空穴传输材料设计实现高效光热稳定钙钛矿太阳能电池

【来源:有色金属重点实验室 | 发布日期: | 阅读次数: 】     【选择字号:

     无机-有机杂化钙钛矿太阳能电池(PSCs)在短短几年时间内得到快速发展,目前最高光电转化效率超过22%,其效率已经接近第一代单晶硅电池以及第二代薄膜电池的光电转化效率,钙钛矿电池要实现产业化,需要解决的科学问题主要有:进一步提高电池性能以及提高电池稳定性,特别是解决电池的稳定性。对于钙钛矿电池的水不稳定性,可以通过将电池在惰性氛围下进行封装来解决。因此,真正需要解决的问题是:解决紫外线(UV)、热和界面接触不稳定性问题

      对于UV不稳定性的问题,研究表明紫外线辐射会导致钙钛矿材料的分解,进一步导致器件性能下降。另外,在n-i-p钙钛矿电池结构中,电子传输材料(ETM)一般采用紧密的TiO2层和介孔TiO2层来完成电子的提取和传输。而TiO2是一种强紫外光催化剂可以在紫外光照下使得钙钛矿材料中有机成分分解。近年来,一系列工作致力于采用新型ETM(如BaSnO3)来提高钙钛矿电池UV稳定性。除此之外在室温下将多功能氟化光聚合物通过快速的光诱导自由基聚合覆盖在钙钛矿电池器件表面,降低紫外线对电池器件的破坏,提高电池的紫外光稳定性。然而TiO2/钙钛矿界面较差的紫外光稳定性仍然没有得到有效解决。

      在自然界中,树叶具有较强的抗紫外线能力,这主要是因为其表皮存在一种芥子酸的脂类化合物,该化合物在紫外区有非常强的吸收,特别是UVB区。众所周知,酸基团可通过配位作用有效地结合到TiO2表面,因此,利用SM修饰在TiO2/钙钛矿界面可能是提高PSCs的紫外光以及界面不稳定性的一条有效的途径


【成果简介】

   近日,兰州大学曹靖研究员、 唐瑜教授、厦门大学吴炳辉和西北师范大学刘家成教授(共同通讯作者)相关论文“PlantSunscreen and Co(II)/(III) Porphyrins for UV-Resistant and Thermally StablePerovskite Solar Cells: From Natural to Artificial”发表在顶级期刊Advanced Materials(影响因子:19.27)上。共同第一作者为曹靖研究员、 吕旭东和张鹏。该工作将SM分子修饰在TiO2/钙钛矿界面,大幅提高钙钛矿电池紫外线的稳定性,并提高了TiO2/钙钛矿界面稳定性,所制备的相应钙钛矿电池器件的最高效率高达19.6%。此外,由于常用掺杂Li盐空穴传输材料Spiro-OMeTAD在80℃以上表现出非常差的稳定性,因此本文进一步设计合成了Co(II)和Co(III)卟啉配合物,并将它们混合作为空穴传输材料代替常用的Spiro-OMeTAD,进一步提高了钙钛矿电池的热稳定性,而且进一步将电池的光电转化效率提高到20.5%。


【总结与展望】

    研究人员通过仿生的方式将树叶中抗紫外线化学成分对钙钛矿电池进行界面修饰改性,从而大幅提高电池的紫外光稳定性,而且提高了ETM/钙钛矿界面稳定性;进一步利用Co(II)/Co(III)卟啉衍生物混合取代常用的电池材料Spiro-OMeTAD,进一步提高电池的热稳定性。这种仿生界面修饰策略为未来设计实现高效稳定的钙钛矿电池器件提供了一种有效的方法。