蘇州大學材料與化學化工學部教授李耀文團隊及其合作者揭示了在晝夜循環(huán)工作模式下鈣鈦礦太陽能電池獨特的降解機制，并強調(diào)了穩(wěn)定晶格以增強電池實際工作壽命的必要性。他們將基于苯基氯化硒制備的鈣鈦礦太陽能電池認證效率提高到26.32%。同時，在晝夜循環(huán)模式下，器件的T80壽命（器件效率衰減至初始效率的80%所需的時間）顯著提高了10倍。日前，相關研究成果發(fā)表在《自然》上。
金屬鹵化物鈣鈦礦作為一種新興的半導體材料在光伏領域得到了快速發(fā)展，已報道的光電轉(zhuǎn)換效率與單晶硅太陽能電池基本持平，但受軟晶格本征屬性影響，提升其穩(wěn)定性成為能否商業(yè)化的關鍵科學問題。目前，關于鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性的評估仍多數(shù)采用ISOS協(xié)議，該協(xié)議通常只涉及一個或兩個特定的環(huán)境變量。然而，在實際應用中，鈣鈦礦太陽能電池歷經(jīng)晝夜循環(huán)，該模式涉及多種外界環(huán)境變化，例如周期性的光照、溫度波動等，使得鈣鈦礦的降解過程更加復雜。迄今為止，相關機制尚不清楚。
針對上述問題，團隊首先研究了鈣鈦礦太陽能電池在連續(xù)光照和晝夜循環(huán)工作模式下的降解行為，發(fā)現(xiàn)電池在晝夜循環(huán)模式下性能衰減更為迅速。通過對軟晶格鈣鈦礦的原位演變分析和載流子動力學研究，發(fā)現(xiàn)循環(huán)模式下的溫度波動會誘導鈣鈦礦晶格膨脹收縮，從而產(chǎn)生周期性的晶格應力變化。在連續(xù)光照模式下，晶格則呈現(xiàn)應力逐漸釋放的狀態(tài)。相比較而言，應力的周期性變化會產(chǎn)生更多深能級缺陷，這些缺陷在暗態(tài)下不能進行“自修復”。此外，積累的深能級缺陷加速了鈣鈦礦的離子遷移，是晝夜循環(huán)模式下電池性能快速衰減的主要原因。
“基于上述研究，我們設計合成了一系列配體材料來消除晶格應力變化、穩(wěn)定鈣鈦礦晶格。其中，苯基氯化硒展現(xiàn)了獨特的作用?！崩钜慕忉尩?，苯基氯化硒在熱退火過程中和有機陽離子鹽反應形成易揮發(fā)物質(zhì)，優(yōu)化了鈣鈦礦的晶體生長動力學，獲得了對稱性更高、室溫穩(wěn)定的鈣鈦礦晶格。此外，苯基氯化硒和碘化鉛反應生成含硒鉛酸鹽并錨定在晶界處，進一步抑制了光、熱誘導的晶格膨脹收縮，消除了晶格應力變化。最終，基于苯基氯化硒制備的鈣鈦礦太陽能電池認證效率高達26.32%。同時，在晝夜循環(huán)模式下，器件的T80壽命顯著提高了10倍，基于其它ISOS協(xié)議測試的器件穩(wěn)定性均得到大幅提升。
該研究還指出，針對具有軟晶格特性的鈣鈦礦太陽能電池建立實際應用中的壽命評估方法的重要性，將加速其商業(yè)化進程。
相關論文信息：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08161-x#Sec3
