西工大王洪強(qiáng)ACS Nano：定制結(jié)晶與缺陷調(diào)控實(shí)現(xiàn)高效錫基PSCs

主要內(nèi)容

錫基鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）作為**潛力的無鉛替代品，憑借低毒性與優(yōu)異光電特性，在新能源領(lǐng)域成為研究熱點(diǎn)。西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院的王洪強(qiáng)教授、佟宇教授、王昆教授，以及深圳技術(shù)大學(xué)的陳威教授敏銳洞察到該方向的戰(zhàn)略價(jià)值，迅速組建團(tuán)隊(duì)開展深入研究，力求突破技術(shù)瓶頸，推動(dòng)其商業(yè)化進(jìn)程。

然而，當(dāng)前錫基鈣鈦礦太陽能電池的光伏性能提升遭遇重大阻礙。不可控的結(jié)晶過程致使鈣鈦礦薄膜內(nèi)部缺陷叢生，高缺陷密度嚴(yán)重限制了電池的光電轉(zhuǎn)換效率與穩(wěn)定性，成為制約其大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵難題。

為攻克這一難題，王洪強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地引入兩種含多官能團(tuán)的乙酰胺衍生物——2 - 氰基乙酰胺（2CA）和2 - 氨基 - 2 - 氰基乙酰胺（2A2CA），以改善錫基鈣鈦礦薄膜質(zhì)量。理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果深度融合，共同揭示出關(guān)鍵作用機(jī)制：2A2CA分子因具有更大的偶極矩，可顯著增強(qiáng)羰基與未配位Sn2?陽離子間的相互作用。引入2A2CA后，能有效提高錫空位缺陷（V??）的形成能，實(shí)現(xiàn)對(duì)錫基鈣鈦礦結(jié)晶過程的精準(zhǔn)調(diào)控，進(jìn)而制備出表面平整、結(jié)構(gòu)致密、結(jié)晶度顯著提升且缺陷密度大幅降低的高品質(zhì)錫基鈣鈦礦薄膜。

在本研究中，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開發(fā)出一種高效策略，即利用乙酰胺衍生物作為鈣鈦礦添加劑，制備高效穩(wěn)定的錫基鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）。研究發(fā)現(xiàn)，2CA和2A2CA分子中的多功能羰基和氨基，可積極促進(jìn)與未配位Sn2?離子的配位反應(yīng)。相較于2CA，含額外氨基的2A2CA分子具有更大的分子偶極矩，能與鈣鈦礦形成更強(qiáng)結(jié)合力，進(jìn)一步增大錫空位缺陷（V??）的形成能。此外，2A2CA在調(diào)控鈣鈦礦薄膜結(jié)晶過程方面表現(xiàn)**，既能促進(jìn)成核，又能延緩結(jié)晶速率，最終形成結(jié)晶度更高、缺陷密度更低且取向性更優(yōu)的錫基鈣鈦礦薄膜。

得益于上述創(chuàng)新改進(jìn)，經(jīng)2A2CA修飾的錫基鈣鈦礦太陽能電池取得了突破性進(jìn)展。其**效率達(dá)到14.98%，且在氮?dú)鈿夥罩袃?chǔ)存超過2200小時(shí)后，仍能保持90%的效率。具體而言，采用2A2CA的器件光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）達(dá)14.98%，顯著高于對(duì)照器件的11.14% PCE。同時(shí)，經(jīng)2A2CA優(yōu)化的器件穩(wěn)定性大幅提升，在氮?dú)鈿夥罩袃?chǔ)存超過2200小時(shí)后，仍可維持初始PCE的90%以上，為錫基鈣鈦礦太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供了重要技術(shù)支撐。

文獻(xiàn)信息

Tailored Crystallization and Defect Control via Acetamide Derivatives for Efficient Tin Perovskite Solar Cells

Yali Chen、Kun Wang、Yibo Han、Wei Chen、Yang Yang、Heng Qi、Feng Yang、Yu Tong、Hongqiang Wang

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c07298

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