2021年7月30日,北京理工大學(xué)陳棋教授和北京大學(xué)周歡萍特聘研究員在Science上發(fā)表文章,Liquid medium annealing for fabricating durable perovskite solar cells with improved reproducibility,演示了液態(tài)介質(zhì)退火(LMA)作為有效調(diào)節(jié)鹵化物鈣鈦礦材料晶體生長(zhǎng)的方法。
不僅僅是提高退火溫度,LMA采用全向加熱,特別是薄膜上額外的“自上而下”傳熱,以更高的加熱速度加速晶體生長(zhǎng)。此外,液體介質(zhì)從前體薄膜中提取殘留溶劑,以減輕其對(duì)晶體生長(zhǎng)的干擾。此外,液體介質(zhì)為晶體生長(zhǎng)創(chuàng)造了一個(gè)微環(huán)境,以防止整個(gè)薄膜上的揮發(fā)性成分損失。該技術(shù)創(chuàng)造了一個(gè)強(qiáng)大的化學(xué)環(huán)境和恒定的加熱場(chǎng),以調(diào)節(jié)整個(gè)薄膜的晶體生長(zhǎng)。該方法生產(chǎn)結(jié)晶度高、缺陷少、所需化學(xué)計(jì)量學(xué)和整體薄膜均勻性的薄膜。由此產(chǎn)生的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池(PSC)的穩(wěn)定功率輸出為24.04%(認(rèn)證為23.7%,0.08 cm2),并在運(yùn)行2000小時(shí)后保持其初始功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)的95%。此外,1cm2的PSC表現(xiàn)出23.15%的穩(wěn)定功率輸出(認(rèn)證的PCE為 22.3%),并在1120小時(shí)運(yùn)行后保持其初始PCE的90%,這表明了其可規(guī)模化制造的可行性。LMA對(duì)氣候的依賴性較低,可全年生產(chǎn)性能差異微不足道的器件。因此,這種方法為以可規(guī)?;涂芍噩F(xiàn)的方式提高鈣鈦礦薄膜和光伏器件的質(zhì)量開(kāi)辟了一條新的有效途徑。
圖1. LMA過(guò)程示意圖
圖2. 鈣鈦礦在Ref和LMA過(guò)程下的結(jié)晶動(dòng)力學(xué)
圖3. FA1-x-yMAxCsyPbI3-zBrz薄膜在Ref和LMA工藝下的均勻性和缺陷行為以及LMA技術(shù)的通用性
圖4. Ref和LMA法制備的FA1-x-yMAxCsyPbI3-zBrz基PSCs的光電性能和穩(wěn)定性
半導(dǎo)體的溶液處理是制造具有成本效益的電子學(xué)和光電子學(xué)的有前途的方法。最近,基于溶液工藝的金屬鹵化物鈣鈦礦已被證明具有電子和光電性能,適用于各種設(shè)備應(yīng)用,特別是光伏。
為了促進(jìn)鈣鈦礦光伏的商業(yè)化,開(kāi)發(fā)一個(gè)具有足夠可重現(xiàn)性的可規(guī)?;慕鉀Q方案非常重要。研究應(yīng)擴(kuò)大空間視角對(duì)晶體質(zhì)量的研究,旨在精確控制任何大氣中整個(gè)薄膜的鈣鈦礦結(jié)晶動(dòng)力學(xué)。然而,實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)將面臨重大困難。首先,鈣鈦礦的形成包括路易斯酸和堿之間的反應(yīng),即使在低溫下也會(huì)迅速自發(fā)地發(fā)生。其次,實(shí)際使用的鹵化物鈣鈦礦通常是混合物,其中不同成分在薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中表現(xiàn)出不同的反應(yīng)性和擴(kuò)散性。此外,前體反應(yīng)物對(duì)水分和普通溶劑敏感,這導(dǎo)致加工條件的每次輕微變化都會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的差異。因此,開(kāi)發(fā)一種簡(jiǎn)單、可控制和有效的退火技術(shù),來(lái)滿足規(guī)?;a(chǎn)和可重復(fù)制造的要求具有挑戰(zhàn)性。
(文源:頂刊動(dòng)態(tài))
作者介紹
陳棋 教授 北京理工大學(xué)
陳棋,2005年本科畢業(yè)于清華大學(xué)化工系,2007年碩士畢業(yè)于清華大學(xué)化學(xué)系,2012年博士畢業(yè)于加州大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)材料科學(xué)與工程系,隨后以博士后身份在UCLA加州納米研究中心。2016年入職北京理工大學(xué)。2019年,入選北京市自然科學(xué)基金杰出青年項(xiàng)目。主要從事有機(jī)無(wú)機(jī)雜化及復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用研究,材料廣泛應(yīng)用于能源、光電信息等器件,如太陽(yáng)能電池等。迄今發(fā)表論文90余篇,包括Science、Nature Comm.、Joule、J Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.等,H-Index 38,總引用超過(guò)14000次(Google Scholar),單篇最高他引超過(guò)4000次。入選“全球2018科睿唯安‘高被引科學(xué)家’名單”。承擔(dān)多項(xiàng)國(guó)家級(jí)項(xiàng)目,包括北京市自然科學(xué)基金杰出青年項(xiàng)目,國(guó)家科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、北京市科技計(jì)劃等。
周歡萍 北京大學(xué) 特聘研究員,博士生導(dǎo)師?
2010年博士畢業(yè)于北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院,師從嚴(yán)純?nèi)A院士,2010年至2015年期間,于美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校材料科學(xué)與工程系從事博士后工作研究,師從楊陽(yáng)教授。其研究領(lǐng)域包括:低成本/高效率太陽(yáng)能電池(如鈣鈦礦)的材料設(shè)計(jì),器件構(gòu)筑;納米結(jié)構(gòu)與光電器件的耦合;新型功能材料(如半導(dǎo)體或者稀土)的合成、性質(zhì)研究及其在光電領(lǐng)域的應(yīng)用。周歡萍研究員在Science, Nature Energy, Nature. Commun.,Joule, J. Am. Chem. Soc.,Nano Lett.,Adv. Mater.等材料、化學(xué)、物理及綜合類(lèi)的國(guó)際國(guó)內(nèi)有影響的學(xué)術(shù)期刊上,累計(jì)發(fā)表學(xué)術(shù)論文100余篇,截止2020年7月被引用20000次以上,H因子為52,多次入選科睿唯安全球高被引作者。代表性研究工作“闡明銪離子對(duì)提升鈣鈦礦太陽(yáng)能電池壽命的機(jī)理”入選科學(xué)技術(shù)部高技術(shù)研究發(fā)展中心發(fā)布的2019年度中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展。
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