Nature焦点. 英国牛津Henry J. Snaith 与港城大 “水活化动力钝化技术”

更新时间:2024-07-15      点击次数:310

Nature焦点.   英国牛津Henry J. Snaith 与港城大 “水活化动力钝化技术


钙钛矿太阳能电池(PSC)近年来发展迅猛,已成为最有潜力的下一代光伏技术之一。然而,钙钛矿材料的稳定性和制备工艺仍存在一些挑战,阻碍着 PSC 的大规模应用。提高钙钛矿电池效率和稳定性的一个重要方法是缺陷钝化,以减少缺陷态和陷阱态,提高电荷载流子传输效率。

在最近发表在《Nature》期刊的一项重要研究中,由香港城市大学冯宪平教授和英国牛津大学 Henry J. Snaith 教授共同领导的团队,发展出了一种具有突破性的水活化动力钝化策略,为高效且稳定性的钙钛矿太阳能电池技术的实现铺平了道路。


【水活化动力钝化技术:突破性新策略!】

这项研究的关键是开发了一种新的钝化材料——阻碍脲/硫代氨基甲酸酯键 Lewis 酸碱材料(HUBLA)。这种材料利用水活化动力键合,能够在钙钛矿材料中动态形成新的钝化剂,以修复材料中的缺陷,进而提高器件效率和稳定性。

传统的钝化材料通常只能在制备过程中被施加,而在装置运作后其效果就会减弱或消失。HUBLA 突破了传统技术的限制,它能够在环境中的水分和热量的作用下动态地进行修复,类似于自我修复"功能。

HUBLA 的工作机制

HUBLA 在水存在的情况下会产生新的钝化剂,以封堵材料的缺陷。这些钝化剂可以与钙钛矿中的碘空位、无机阳离子等缺陷进行作用,抑制电荷复合,进而提高器件的效率和稳定性。 更值得关注的是,HUBLA 材料还能根据周围环境中的热量进行自我调整,在加热条件下生成新的钝化剂。这种热活化"特性为HUBLA 钝化材料带来了更高的应用弹性,在多种环境条件下都可以发挥有效的钝化作用。


HUBLA 钝化技术:实现高效和稳定性!】

研究团队以 HUBLA 钝化材料制备了高效且稳定的钙钛矿太阳能电池。阻碍脲/硫代氨基甲酸酯键 Lewis 酸碱材料(HUBLA)能优化钙钛矿太阳能电池的原因主要包括以下几点:

l   钝化缺陷: 钙钛矿材料中常存在缺陷,这些缺陷会成为电子-空穴复合中心,降低电池的效率。HUBLA材料可以通过与钙钛矿表面的未配位金属离子或缺陷位点发生反应,钝化这些缺陷,减少复合过程,提高电池的光电转换效率。

l   改善接口质量: 在钙钛矿太阳能电池中,钙钛矿层与电极之间的接口质量对于电池性能至关重要。HUBLA材料能改善这些接口的质量,提高接口处的电荷传输效率,减少电荷复合,从而提升电池性能。

l   稳定性增强: 钙钛矿材料本身容易受环境因素(如湿度、氧气、光照等)的影响而降解。HUBLA材料可以提供一种保护层,防止环境因素对钙钛矿材料的侵蚀,显著增强电池的稳定性和寿命。

l   能级匹配优化: HUBLA材料具有Lewis酸碱性质,可以调整钙钛矿材料与电极之间的能级匹配,从而优化电荷注入和提取过程,减少能量损失,提高电池的开路电压和填充因子。

实验结果显示,采用 HUBLA 钝化的钙钛矿太阳能电池,转换效率可达 25.1%。此外,该器件在 85℃ 下氮气气氛中老化 1500 小时后,仍能保持初始效率的 94%,而在此温度下以及 30% 相对湿度(RH)空气中老化 1000 小时后,其效率仍能维持初始效率的 88%


研究结果:重大的科学突破和应用前景

这项研究的成功不仅证明了水活化动力钝化策略的可行性,而且展现了HUBLA 在提高钙钛矿太阳能电池性能和稳定性方面具有巨大潜力。该研究团队认为,这项技术突破有望为未来钙钛矿太阳能电池的发展提供新思路,加速其商业化应用。

未来,该研究团队将继续优化HUBLA 材料,探索更多水活化动力钝化策略,开发更加稳定高效的钙钛矿太阳能电池,为实现低成本、高效清洁能源目标而努力。

总结

香港城市大学 Feng Shien-Ping 教授领导的研究团队,利用新颖的水活化动力钝化策略,显著提高了钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。HUBLA 材料能够在环境水分和热量作用下,动态修复钙钛矿材料缺陷,使器件在不同环境下都具有良好的性能表现。 这一研究成果标志着钙钛矿太阳能电池技术发展的一个重大突破,将为未来推动光伏技术发展具有深远的影响。

重要技术参数:

钙钛矿太阳能电池转换效率: 25.1%

热稳定性: 在 85℃ 下氮气气氛中老化 1500 小时后,仍能保持初始效率的 94%

湿稳定性: 在 85℃ 30% 相对湿度(RH)空气中老化 1000 小时后,其效率仍能维持初始效率的 88%

关键材料: 阻碍脲/硫代氨基甲酸酯键 Lewis 酸碱材料(HUBLA

关键技术: 水活化动力钝化策略


参考文献

Water- and heat-activated dynamic passivation for perovskite photovoltaics

Nature 2024


【本研究参数图】

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Fig S5.    羟基和异氰酸酯基之间的反应。(a) 羟基和异氰酸酯基反应的化学方程式。(b) NCO-AS IPA 反应 30 分钟的 1H-NMR 光谱。对于(b)和(c)、 0 分钟后加入 IPA


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Fig S6. HUBLA 的交联机制。两个过氧化物晶体 一般不能结合在一起,因为在接口上没有相互作用或结合。交联机制 相反,如果在包晶表面涂上 HUBLAHUBLA 就能在接口上解离和结合,部分 HUBLA 就能与包晶结合在一起。HUB 可以在接口上解离和结合,部分 HUB 可以在两个晶体的接口上诱导交联(白色球代表 -N+H3


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Fig S14. 原始和 HUBLA 涂层过氧化物晶体的稳态 PL TRPL。插图为透辉石晶体的照片和稳态 PL


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文献参考自 Nature 2024  DIO: 10.1038/s41586-024-07705-5

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