Solar RRL:临近空间下红绿蓝(RGB)光对钙钛矿薄膜和光伏器件稳定性的影响

有机-无机杂化钙钛矿材料因具有高吸收系数、长载流子扩散距离等优异光电性能,在光伏电池、发光二极管、光电探测器等领域取得了快速的发展。通过组分、界面和器件结构的优化,钙钛矿光伏电池的光电转换效率已经突破25%,接近于商用硅光伏电池。众所周知,钙钛矿在水、氧、光、热等环境下易于分解退化,成为钙钛矿器件应用的最大阻碍。太空环境不含水和氧,并且钙钛矿光伏电池具有高的功率重量比(power per weight),使得钙钛矿器件在空间应用中展现出巨大的发展潜力。作为光吸收层,目前对真空环境下钙钛矿的光降解过程还缺乏足够的了解。

华东师范大学物理与电子科学学院、极化材料与器件教育部重点实验室保秦烨教授课题组利用光电子能谱超高真空互联装置模拟外太空环境,原位研究了1×10-8mbar极端真空下,有机-无机杂化钙钛矿薄在白光光照下的物理化学降解机理,探讨了钙钛矿光伏器件在外太空的适用性问题(Adv. Optical Mater. 2018, 6, 1800262)。以此为基础,保秦烨课题组进一步模拟临近空间真空环境 5×10-3 mbar, 对应距离地面85 km的空域,这一空域是高超声速巡航飞行器、高空伪卫星的活动空间,在商业和军事领域具有重要价值。研究发现临近空间真空下钙钛矿薄膜与光伏器件在红、绿、蓝(RGB)光照下呈现出不同的降解过程,这是由于光生载流子与晶格之间的强耦合作用,以及钙钛矿薄膜对GRB光吸收差异造成的, 临近真空加速了其降解的过程。器件结果表明,在临近空间真空下,钙钛矿电池的效率损失不仅来自钙钛矿薄膜降解,而且来自于光生载流子降低了离子迁移的能量势垒、加速了离子迁移从而产生更多深能级缺陷。此外,通过比较发现,良好的封装可以减弱真空对器件性能的降解过程。文章探讨了钙钛矿光伏器件未来在临近空间的应用。该成果以“Exploring Red, Green, and Blue Light‐Activated Degradation of Perovskite Films and Solar Cells for Near Space Applications”为题,发表在Solar RRL上(DOI: 10.1002/solr.201900394)。