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西安交大鈣鈦礦太陽能電池研究取得新進展

有機-無機雜化鈣鈦礦材料由于具有吸收系數高,激子束縛能低和載流子壽命長,且元素儲量豐富和價格低廉等優點,已經迅速成為光電器件研究領域的“寵兒”。近年來,科研人員采用有機-無機雜化鈣鈦礦材料作為光吸收層,在太陽能電池方面的研究取得了巨大成功,其光電轉換效率從2009年的3.8%劇增到2019年的25.4%(甚至達到實驗室28%的轉換效率:28%,鈣鈦礦電池又打破記錄!),該效率已經超過目前所有薄膜太陽能電池效率。

在薄膜鈣鈦礦太陽能電池如火如荼發展的同時,鈣鈦礦量子點因其發光波長可調、窄帶發射、量子效率高等特點,也掀起了一股研究熱潮。研究人員發現,通過控制鈣鈦礦納米晶的形貌與尺寸,可調節其能級結構和光電性能。

將鈣鈦礦量子點引入到太陽能電池中,不僅可提高對太陽光的利用率,還能避免鈣鈦礦薄膜中通過混合鹵化物調節帶隙所引起的組分偏析和效率不穩定等問題。雖然鈣鈦礦太陽能電池的種種得天獨厚的優勢使其在基礎研究和商業化領域成為一匹黑馬,但由于鈣鈦礦材料在潮濕環境和光照條件下具有較差的環境穩定性,容易發生分解并造成電池效率降低或失效,鈣鈦礦太陽能電池的商業化道路進展依舊緩慢。

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為獲得高效穩定的鈣鈦礦太陽能電池器件,西安交通大學電信學部闕文修教授聯合美國布朗大學Chen Ou博士團隊、Nitin P. Padture與Yuanyuan Zhou教授團隊,采用陽離子交換法合成Cs1-xFAxPbI3鈣鈦礦合金量子點,將其沉積在FAPbI3薄膜表面,形成具有富銫表面的光吸收層,可減少電池器件中光生載流子的復合。與FAPbI3薄膜組裝的太陽能電池相比,Cs1-xFAxPbI3量子點修飾的FAPbI3基太陽能電池的環境穩定性得到了顯著提高。鈣鈦礦量子點通過與相似組分的薄膜相互融合,為制備高效穩定的鈣鈦礦太陽能電池提供了一種新的可能。

上述研究成果以《量子點誘導富銫表面增強甲脒鉛碘基鈣鈦礦太陽能電池穩定性》(Quantum-Dot-Induced Cesium-Rich Surface Imparts Enhanced Stability to Formamidinium Lead Iodide Perovskite Solar Cells)為題發表在ACS Energy Letters期刊上,該期刊為美國化學協會旗下的國際能源領域頂級期刊,最新影響因子為16.3。闕文修教授自2006年從新加坡歸國任教后,其團隊一直致力于太陽能可持續轉換成其它清潔能源的研究,目前在新型太陽能電池光電轉換領域已發表系列高水平的學術成果。此論文的發表,受到了國內外專家的高度關注和充分肯定。

本研究由西安交通大學電信學部闕文修教授團隊發起并和美國布朗大學Chen Ou博士團隊、Nitin P. Padture與Yuanyuan Zhou教授團隊合作完成。西安交通大學電信學部為第一通訊單位,電信學部闕美丹博士為第一作者,美國布朗大學工程系戴政泓博士生為共同第一作者,西安交通大學闕文修教授和美國布朗大學Nitin P. Padture教授,Yuanyuan Zhou博士,Ou Chen博士為本文的通訊作者。

論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsenergylett.9b01262

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