Advanced Materials :钢筋混凝土——聚合辅助钙钛矿晶粒生长增强钙钛矿太阳能电池寿命

“日出江花红胜火,春来江水绿如蓝。“ 众所周知,太阳作为地球生命的能量来源,赋予了大地生机与社会发展的动力。在电气与网络时代的当今,如何有效地从阳光中获取能源成为了人类文明进步的重要课题,因而太阳能电池的发展也越来越受到人们的瞩目。相比于传统的硅基太阳能电池,钙钛矿太阳能电池具有制作工艺简单,吸光能力强和耐缺陷性的特点。目前单节钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已经逐渐逼近肖克利-奎伊瑟极限(S-Q limit),从而具备了极大的应用前景。但是,对于空气中水分和紫外光线的不稳定性制约了钙钛矿太阳能电池的发展。而这种不稳定性主要源于聚集在界面和晶界中的内部缺陷,因此如何有效抑制缺陷以提升钙钛矿的稳定性成为了钙钛矿太阳能电池领域的重中之重。

针对这个问题,美国加州大学洛杉矶分校杨阳教授课题组和南京大学朱嘉教授课题组合作在钙钛矿层的生长中使用了一种新型聚合辅助钙钛矿晶粒生长(polymerization-assisted grain growth, PAGG)的方法,有效地减少了钙钛矿的缺陷密度,并且增强了钙钛矿太阳能电池的稳定性。相关论文在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201907769)上,文章第一作者为UCLA博士生赵野频和南京大学博士生朱鹏程。

这个方案通过在PbI2前驱溶液中加入聚合物单体,在PbI2薄膜形成过程中,单体发生聚合反应,形成的聚合物分布在晶界上。在接下来的钙钛矿薄膜形成过程中,由于聚合物与Pb具有更高的结合能而难以被甲眯碘分子置换,因此聚合物将更倾向于分部在晶界处。在晶界处的聚合物能够结合在非完全配位的Pb,实现对缺陷位点的消除。同时,由于聚合物与Pb具有更高的结合能,在结晶时增大反应势垒减少成核点,显著增加了钙钛矿晶粒的尺寸,从而进一步减少了钙钛矿晶界的数目。这种由聚合物链和钙钛矿晶粒形成的结构类似与平日里常见的钢筋混凝土。在钢筋(聚合物)的作用下,混凝土(钙钛矿)变得更加结实和耐用。改进后的钙钛矿太阳能电池实现了23 %的工作效率,并且在连续光照条件下工作504 小时后,能保持85.7 %的初始工作效率。同时在经过2208 小时的室温储存后,能保持91.8 %的初始工作效率。电池的稳定性的显著提高说明了聚合辅助钙钛矿晶粒生长的可行性,同时聚合物种类的繁多和功能的多样为这种方法提供了进一步提高的空间。此项研究将有机高分子和无机多晶材料的动态生长过程相结合,为提高钙钛矿太阳能电池的稳定性提供全新的思路。