近年來使命責任，作為光伏領(lǐng)域的新興技術(shù)效果，鈣鈦礦太陽能電池以優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)化效率和低溫溶液加工特性，被視為下一代光伏技術(shù)的戰(zhàn)略制高點。然而可持續，如何在保持高轉(zhuǎn)換效率的同時主要抓手，確保電池的長期穩(wěn)定性，始終是制約鈣鈦礦太陽能電池商業(yè)化應(yīng)用的重大挑戰(zhàn)構建。
針對這一問題創新科技，西安
交通大學(xué)物理學(xué)院梁超研究員(楊生春和楊志懋教授團(tuán)隊)通過分子界面工程，首創(chuàng)了一種內(nèi)嵌
金屬富勒烯分子Nd@C82與聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的耦合結(jié)構(gòu)共創輝煌，對鈣鈦礦層進(jìn)行原位封裝具有重要意義，有效提高了鈣鈦礦太陽能電池的效率與穩(wěn)定性。所制備的倒置型鈣鈦礦光伏太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)分別為26.78%(0.08cm2)(認(rèn)證值為26.29%)和23.08%(16cm2精準調控，模塊)功能，在濕熱測試條件(ISOS-D-3標(biāo)準(zhǔn))下經(jīng)過1000小時效率仍保持在99%以上應用的因素之一。這一創(chuàng)新成果揭示了一種分子界面極化調(diào)控新機制解決，將為高性能鈣鈦礦太陽能電池設(shè)計開發(fā)提供新路徑。
該研究的核心創(chuàng)新點在于利用內(nèi)嵌金屬富勒烯分子Nd@C82作為電磁耦合傳輸介質(zhì)敢於監督，可通過界面極化增強
電子提取能力和效率幅度，進(jìn)而耦合聚合物PMMA使該界面兼具了優(yōu)異結(jié)構(gòu)保護(hù)性能和超快電子選擇傳輸特性，確保了電池中均質(zhì)且超快電子提取重要的作用，從而兼顧超快電子提取和原位封裝的特點貢獻，促進(jìn)均勻的電子提取并抑制離子相互擴(kuò)散，最終顯著提升了鈣鈦礦太陽能電池在高溫穩中求進、高濕等復(fù)雜環(huán)境下的PCE和運行壽命統籌，拓展了其在戶外及實際應(yīng)用場景中的發(fā)展?jié)摿Α?br />
該研究成果以《Nd@C82-聚合物界面應(yīng)用于高效穩(wěn)定鈣鈦礦太陽能電池》(“A Nd@C82-polymer interface for efficient and stable perovskite solar cells”)為題于4月8日在《自然》(Nature)期刊上在線發(fā)表。西安交通大學(xué)物理學(xué)院博士研究生林越辛協同控製、水源振奮起來、朱文靜，西安交通大學(xué)化學(xué)學(xué)院碩士研究生呂世麗利用好，福建農(nóng)林大學(xué)林智超博士為論文共同第一作者深入各系統；物理學(xué)院梁超研究員、楊生春教授系列、楊濤研究員作用，化學(xué)學(xué)院蔡文婷研究員(丁書江教授團(tuán)隊)，澳門大學(xué)邢貴川教授慢體驗，河南大學(xué)李萌教授為論文通訊作者方案；西安交通大學(xué)物理學(xué)院為本論文第一完成單位。論文得到了西安交通大學(xué)分析測試中心在材料結(jié)構(gòu)測試與分析方面提供的大力支持了解情況，特別是郭航深入、梁艷、周國慶和張楊提供了相關(guān)表征和分析支持特點。本研究得到了國家重點研發(fā)計劃深刻變革、國家自然科學(xué)基金結論、西安交通大學(xué)青年拔尖人才支持計劃和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金等項目的資助質生產力。
圖1 內(nèi)嵌金屬富勒烯Nd@C82-聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)耦合層助力超快電子提取和離子擴(kuò)散抑制適應性強。(a)C60，Nd@Cs(6)-C82先進的解決方案，以及Nd@C2v(9)-C82的分子結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的電子局域化函數(shù)(ELF)拓展。(b)鈣鈦礦/富勒烯的電荷密度差分布(CDD)。(c)計算出的不同富勒烯電子電導(dǎo)率宣講活動。(d)具有Nd@C82-PMMA耦合層的倒置鈣鈦礦太陽能電池(PSC)的器件結(jié)構(gòu)示意圖不斷進步。(e)橫截面飛行時間二次離子質(zhì)譜圖。
圖2 具有Nd@C82-PMMA耦合層鈣鈦礦薄膜的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)效率。(a-c)鈣鈦礦薄膜規模、鈣鈦礦/C60薄膜和鈣鈦礦/Nd@C82/C60薄膜的表面電勢圖。(d-f)鈣鈦礦薄膜講道理、鈣鈦礦/C60薄膜和鈣鈦礦/Nd@C82/C60薄膜的表面電勢變化發展目標奮鬥。(g-i)鈣鈦礦薄膜、鈣鈦礦/C60薄膜和鈣鈦礦/Nd@C82/C60薄膜的光致發(fā)光掃描成像圖更多的合作機會。
圖3 Nd@C82-PMMA耦合層用于平衡電荷載流子傳輸延伸。(a)鈣鈦礦薄膜、對照組薄膜(鈣鈦礦/C60)和Nd@C82(鈣鈦礦/Nd@C82/C60)薄膜的光致發(fā)光光譜圖服務好。(b)鈣鈦礦薄膜新趨勢、對照組薄膜(鈣鈦礦/C60)和Nd@C82(鈣鈦礦/Nd@C82/C60)薄膜的時間分辨熒光光譜圖。(c)鈣鈦礦/C60薄膜共謀發展、鈣鈦礦/自組裝單層(SAM)薄膜學習、鈣鈦礦/Nd@C82/C60薄膜的時間分辨熒光光譜圖。(d)鈣鈦礦和電子傳輸層之間的能帶排列聽得進。(e-f)能帶排列示意圖新的力量。
圖4 基于Nd@C82制備器件的光伏性能。(a)最優(yōu)的對照組和基于Nd@C82制備器件的J-V曲線各項要求。(b)從J-V曲線中獲得的光電轉(zhuǎn)換效率值的統(tǒng)計數(shù)據(jù)更高要求。(c)基于Nd@C82制備的最優(yōu)模組的J-V曲線。(d)最優(yōu)模組的最大功率點輸出曲線新技術。(e)基于ISOS-D-2I測試協(xié)議下器件的穩(wěn)定性共同學習。(f)基于ISOS-L-3測試協(xié)議下器件的穩(wěn)定性。
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