深職大胡漢林AM：鐿離子（Yb3?）工程助力1.84 eV 寬禁帶鈣鈦礦光伏效率突破 19%大關(guān)!

主要內(nèi)容

相分離仍是限制寬禁帶鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSCs）性能和長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性的最關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一，這一問題在帶隙寬度達(dá) 1.84 eV 的寬禁帶（WBG）鈣鈦礦材料中表現(xiàn)得尤為突出。嚴(yán)重的鹵化物相分離會(huì)致使成分不均勻，加速器件退化。在此背景下，聚焦這一關(guān)鍵問題，深圳職業(yè)技術(shù)大學(xué)霍夫曼**材料研究院胡漢林副教授和深圳大學(xué)鐘亥哲副教授帶領(lǐng)其團(tuán)隊(duì)開展了相關(guān)研究。

團(tuán)隊(duì)對(duì) 1.84 eV 鈣鈦礦薄膜表面和底部界面的鹵離子分布進(jìn)行了全面探究，發(fā)現(xiàn)存在顯著的溴離子（Br?）/碘離子（I?）鹵化物相分離現(xiàn)象，嚴(yán)重?fù)p害了器件的效率和穩(wěn)定性。鑒于此，為解決此問題，團(tuán)隊(duì)將三氟甲磺酸鐿（III）[Ytterbium (III) trifluoromethanesulfonate，Yb(TFSI)?]作為多功能添加劑引入鈣鈦礦前驅(qū)體中。鐿離子（Yb3?）與鹵素陰離子之間存在強(qiáng)配位作用，不僅能調(diào)控結(jié)晶動(dòng)力學(xué)，還能使富溴區(qū)域和富碘區(qū)域的空間分布更加均勻，進(jìn)而制備出成分不均勻度降低的高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜。此外，Yb3?顯著抑制了鹵化物遷移和離子交換過程，成功增強(qiáng)了相穩(wěn)定性。團(tuán)隊(duì)借助深度分辨表征技術(shù)，例如掠入射廣角 X 射線散射技術(shù)，證實(shí)了薄膜深度方向上結(jié)晶度提高、結(jié)構(gòu)均勻性改善以及相分離受到抑制。最終，在同類研究中處于領(lǐng)先水平的成功實(shí)現(xiàn)了 19.06%的**光電轉(zhuǎn)換效率（PCE），且在氮?dú)鈿夥眨ㄏ鄬?duì)濕度 10%，25℃）中放置 1500 小時(shí)后，仍能保持初始效率的 85%。

基于上述研究成果，總體而言，胡漢林副教授和鐘亥哲副教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)對(duì)寬禁帶鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中的鹵化物相分離問題及其對(duì)器件光電性能的影響展開了全面研究。為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種具有創(chuàng)新性的添加劑工程策略，將三氟甲磺酸鐿（III）[Yb(TFSI)?]加入到鈣鈦礦前驅(qū)體溶液中。Yb3?離子的引入通過抑制鹵素離子遷移，有效調(diào)節(jié)了寬禁帶鈣鈦礦的結(jié)晶動(dòng)力學(xué)，并顯著抑制了鹵化物相分離。這種調(diào)節(jié)作用源于 Yb3?與鹵素陰離子之間的強(qiáng)相互作用，促進(jìn)了更具可控性的結(jié)晶過程，從而更好地控制了富溴區(qū)域和富碘區(qū)域的分布。因此，經(jīng)處理的鈣鈦礦薄膜表現(xiàn)出更高的鹵素均勻性和更優(yōu)的薄膜質(zhì)量，其光電性能得到顯著提升。此外，加入 Yb3?可有效抑制離子遷移，減輕鹵化物相分離現(xiàn)象，有助于提高器件的長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性。與原始對(duì)照樣品相比，Br?和 I?之間的離子交換明顯減少。通過結(jié)合對(duì)鈣鈦礦薄膜頂部和底部表面的詳細(xì)分析，團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)地揭示了鹵化物相分離對(duì)器件性能的影響，以及 Yb3?改性在控制這一現(xiàn)象方面的有效性。鹵素分布改善、結(jié)晶過程調(diào)控和缺陷鈍化的協(xié)同作用，使器件的光伏性能顯著提升，成功實(shí)現(xiàn)了 19.06%的**光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）。而且，優(yōu)化后的器件在 25℃、氮?dú)猸h(huán)境（濕度 10%）中儲(chǔ)存 1500 小時(shí)后，仍能保持初始效率的 85%，展現(xiàn)出優(yōu)異的器件穩(wěn)定性。這些研究結(jié)果為寬禁帶鈣鈦礦材料的合理設(shè)計(jì)以及穩(wěn)定高效疊層太陽(yáng)能電池的開發(fā)提供了寶貴見解和新的思路。