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我院与UCLA合作在Science上发表关于钙钛矿太阳能电池表面钝化机制的论文

发布时间:2020-12-24访问量:1131设置

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近日,由苏州大学功能纳米与软物质研究院(FUNSOM)王照奎教授、西湖大学和美国加利福尼亚大学洛杉矶分校(UCLA)杨阳教授课题组合作撰写的论文在《Science》杂志上发表(Science 366, 15091513, 2019)。这是FUNSOM作为通讯单位第二次在《Science》这一国际顶级学术期刊上发表论文。我院王照奎教授为该论文的共同通讯作者。

该论文主要介绍了王照奎教授与杨阳教授课题组合作在钙钛矿太阳能电池表面钝化机制研究中取得的重要成果。钛矿表面钝化机制研究及钝化分子的构型设计是进一步提高钙钛矿太阳能电池光电转换效率的有效途径,该研究发现当钝化分子中N-HC=O处于最佳构型时,N-HI(碘)之间的氢键形成有助于C=OPb缺陷结合,从而使得钙钛矿表面缺陷的钝化效果达到最大化,为钙钛矿太阳能电池表面钝化的分子构型设计指引了方向。

1. 钙钛矿表面缺陷类型、表面钝化分子构型及钝化效果

近年来,金属卤化物钙钛矿材料在太阳能电池领域引起了广泛的关注。钙钛矿表面缺陷态的形成会导致载流子的非辐射复合从而限制其光电转换效率。考虑到卤化物钙钛矿材料离子键合的本性,分子修饰成为钝化其表面缺陷的一个重要途径和手段。目前很多含有可以与钙钛矿缺陷结合的官能团的分子被陆续报道,例如羰基等路易斯碱。然而,含有这些有效官能团的分子不计其数,深入系统研究的缺乏使得合理的分子设计从而最大化缺陷钝化的能力仍是一个挑战。

在此次发表的论文中,该国际合作团队通过巧妙地利用一组刚性分子,茶碱,咖啡因和可可碱,系统研究了分子中N-HC=O的协同作用对钝化钙钛矿缺陷的影响。作者发现,分子中的N-H可以与钙钛矿表面的碘形成氢键从而辅助C=O的缺陷钝化能力,而只有当N-HC=O形成合适构型的时候,该效应才有利于与缺陷形成最强作用力,从而最大化其缺陷钝化能力。当分子中缺失N-H或者N-H在一个不合适位点上,都会弱化缺陷钝化或更有甚者引入更多的晶格畸变。基于最优势分子构造的茶碱修饰的钙钛矿太阳能电池最终表现出最佳的光电转换效率高达23.48%,电池工作稳定性能提高到500小时。总之,该工作系统研究了钙钛矿太阳能电池表面钝化效果对钝化分子构型的要求,在深入理解表面钝化及缺陷态抑制机制的基础上,设计了表面分子钝化的新策略,并获得了 23.48%的光电转换效率,对进一步发展钝化策略及提高器件效率和稳定性具有重要的借鉴意义。


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责任编辑:朱文昌


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