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福建物構所鈣鈦礦太陽能電池研究獲進展 2021-07-29

缺陷鈍化是提升鈣鈦礦太陽能電池光電轉換效率與穩定性的有效方法。路易斯堿是鈣鈦礦太陽能電池常用的鈍化添加劑之一,被定義具有C=O、S=O、P=O、-CN等吸電子官能團的有機小分子,是給予外界電子的電子對供體。在傳統的路易斯堿上添加質子官能團(-OH、-NH等)的分子顯示出比純路易斯堿更高效的鈍化效果,但其詳細的作用機理尚未被研究與證明。理論計算證明,表面活性氧(超氧離子O2-)對鈣鈦礦薄膜與器件的穩定性造成損害,而目前幾乎沒有針對預防超氧降解鈣鈦礦過程的鈍化分子的相關實驗研究。

  中國科學院福建物質結構研究所功能納米結構設計與組裝/福建省納米材料重點實驗室研究員高鵬將路易斯堿官能團與質子官能團于聚芳香共軛分子上進行組合,得到純路易斯堿體系分子9CN-PMI與路易斯堿/質子體系分子4OH-NMI,并將其引入到鈣鈦礦前驅體溶液中,制備出鈍化之后的鈣鈦礦薄膜與器件。對兩種不同類型分子的表征對比顯示,具有路易斯堿/聚芳香共軛/質子結構的分子4OH-NMI可起到更優異的化學鈍化(Chemical passivation)作用,其所擁有的C=O/-OH官能團體系能夠有效鈍化正負電荷缺陷與鉛團簇,鈍化劑的-OH可以通過氫鍵與I-相互作用,從而促進C=O基團與反位Pb2+缺陷的相互結合,使鈍化效果最大化。理論計算與穩定性測試證明,4OH-NMI具有更加顯著的能帶鈍化(Energetic passivation)作用,即鈍化分子產生良性的中間能隙態,該能隙態位于O2產生的電子陷阱態之上,能夠搶在O2之前捕獲鈣鈦礦上的光激發電子,避免超氧離子的形成,進而提高鈣鈦礦器件的穩定性。此外,研究還發現,4OH-NMI與9CN-PMI的加入可以提高鈣鈦礦前驅體溶液的粘度,從而顯著增加鈣鈦礦膜的厚度以實現更高的光收集效率。4OH-NMI鈍化后的鈣鈦礦電池效率達23.7%,且表現出優異的穩定性。

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