近日，國家納米科學(xué)中心研究員周惠瓊等在一種鈣鈦礦太陽能電池材料設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性研究上取得新進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)合成設(shè)計(jì)系列具有層間輕微位移的鈣鈦礦材料，并實(shí)現(xiàn)該材料在準(zhǔn)二維鈣鈦礦太陽能電池刮涂工藝上的最高轉(zhuǎn)換效率19.11%，以及超過6000小時(shí)最大功率下運(yùn)行穩(wěn)定性。相關(guān)研究成果在《自然—通訊》發(fā)表。

新型鈣鈦礦材料設(shè)計(jì)、器件性能與穩(wěn)定性研究。受訪者供圖

高效、穩(wěn)定和可拓展的大面積器件制備是鈣鈦礦太陽能電池走向?qū)嶋H應(yīng)用的關(guān)鍵。

在二維鈣鈦礦中，有兩種主要結(jié)構(gòu)類型（Ruddlesden-Popper 和Dion-Jacobson）。目前兩者在太陽能轉(zhuǎn)換效率方面目前普遍不高，利用锍陽離子輔助中間相工程調(diào)控Ruddlesden-Popper型鈣鈦礦太陽能電池可以實(shí)現(xiàn)19.08%的光電轉(zhuǎn)化效率，而對(duì)Dion-Jacobson型太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率提升研究仍相對(duì)不足。

在穩(wěn)定性方面，Dion-Jacobson型鈣鈦礦雖然更具優(yōu)勢(shì)，但在大氣環(huán)境中的穩(wěn)定性仍不理想。在大面積工藝上，Ruddlesden-Popper型鈣鈦礦在刮涂工藝上已實(shí)現(xiàn)約16%的轉(zhuǎn)換效率，而對(duì)Dion-Jacobson型鈣鈦礦的研究較少。因此，如何合理開發(fā)性能優(yōu)異穩(wěn)定的Dion-Jacobson型鈣鈦礦材料，并且實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定性及其可大面積拓展的器件工藝極具挑戰(zhàn)。

鑒于此，研究人員利用一種柔性環(huán)己烷二甲銨，合成設(shè)計(jì)出一系列新型輕微層間位移型Dion-Jacobson鈣鈦礦材料。

該材料具有優(yōu)異的濕度、熱及光照穩(wěn)定性。研究人員進(jìn)一步采用刮涂工藝制備了系列Dion-Jacobson型鈣鈦礦太陽能電池，獲得高達(dá)19.11%的轉(zhuǎn)換效率。

“這是目前基于準(zhǔn)二維鈣鈦礦電池刮涂工藝最高的轉(zhuǎn)換效率。”該論文第一作者、周惠瓊課題組博士（現(xiàn)南華大學(xué)特聘教授）張偉川說，“同時(shí)，未封裝電池在0~90%相對(duì)濕度老化條件下，經(jīng)4000小時(shí)后仍可保持其初始效率的92%。”

更重要的是，這些電池還表現(xiàn)出顯著的熱穩(wěn)定性（85°C）和運(yùn)行穩(wěn)定性。在經(jīng)過超5000小時(shí)熱處理100標(biāo)準(zhǔn)光功率密度連續(xù)光照，或45°C下最大功率運(yùn)行超過6000小時(shí)后，效率損失可忽略不計(jì)。

“該工作在效率和穩(wěn)定性上的突破，為穩(wěn)定高效的準(zhǔn)二維鈣鈦礦電池制備及產(chǎn)業(yè)化提供了借鑒?！敝芑莪傉f。