Solar RRL:使用N719-钙钛矿杂化吸光层大幅提高光电器件的湿度稳定性

自古及今,太阳一直在向人类提供赖以生存和发展的能量,可以说地球上绝大部分能量都是太阳直接或间接向我们提供的。光虽然纤弱柔和,但其中包含的能量却是巨大、源源不断的,一旦研究出一种有效吸收、转换和存储太阳能的方法,未来人们的能源危机就可以迎刃而解。所以一直以来如何直接有效的利用太阳的能量是人们研究和关注的焦点,人们先后研究出光催化剂,太阳能电池,太阳能集热器以更好的利用太阳能。近年来,钙钛矿太阳能电池方兴未艾,人们逐渐取得关于钙钛矿太阳能电池技术的重要突破,但是困扰其应用的最重要的问题就是其在空气中较低的稳定性。钙钛矿材料对湿度极度敏感,在空气湿度较高的情况下可以迅速退化,甚至直接分解。所以,如果能够提出有效的提高钙钛矿太阳能电池在空气中长期工作稳定性的方法,这种新型光电转换器件的工业化进展就可能取得重大突破。

清华大学新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室林红课题组应用N719染料分子对有机-无机钙钛矿吸光层进行体修饰,在不牺牲太阳能基础效率的前提下,大幅提高了钙钛矿材料的空气湿度稳定性。研究者将N719染料分子掺入钙钛矿前驱体中进行旋涂,得到了钙钛矿-染料杂化薄膜,测试表明其具有更大的晶粒尺寸和更少的孔洞,更加重要的是这种薄膜在500-700纳米波长区间展现了更强的光吸收能力,这种吸光能力的增强被认为是源于染料分子对吸光的辅助作用。不仅如此,通过对钙钛矿材料退化过程的实时监测,我们鉴别了整个水化过程的全部产物和中间物,发现染料分子杂化的钙钛矿薄膜展现了被大幅延迟的水化过程,从而具有更强的湿度稳定性。通过第一原理计算我们发现水分子在杂化薄膜中的扩散势垒为原本薄膜中的三倍,从而为其优越的湿度稳定性提供解释。此外,我们将制备的杂化与未杂化薄膜样品分别与小分子极性溶剂接触,通过高分辨相机连续拍照记录了钙钛矿薄膜退化的宏观过程,发现杂化薄膜在从黑色的钙钛矿到灰色的水合物最后变为黄色的碘化铅的过程中明显具有更慢的退化速度,并首次对黑-灰-黄的颜色过渡区进行了物相分析,鉴别他们的成分,将空间的颜色过渡区变化与时间上的退化过程联系到一起,从而更加深入的揭示了有机-无机钙钛矿的退化机理。最后,基于染料-钙钛矿杂化薄膜,我们制备的相应器件在60%湿度的空气中接触250小时仍然保持了超过80%的效率,其相应退化速度是原本钙钛矿器件的三分之一。

研究者相信,这种策略的提出为解决钙钛矿电池长期稳定性问题提供了一种全新的思路,并且进一步揭示了钙钛矿材料水化过程的机理,对未来钙钛矿太阳能电池技术的应用过程具有重要意义。相关论文以“Improved Moisture Stability of Perovskite Solar Cells Using N719 Dye Molecules”为题,在线发表在国际高水平期刊Solar rrl(DOI: 10.1002/solr.201900345)上。