合肥研究院等开发出可“自愈”的钙钛矿太阳电池
近年来,钙钛矿材料因其优异的光电性能,成为光电器件领域中具有应用前景的光电材料之一。目前钙钛矿太阳电池光电转换效率已达25.5%,但是钙钛矿材料对辐射、湿度等敏感,暴露在大气条件下容易降解,严重影响其使用。因此,开发高性能、高稳定和具有自修复功能的钙钛矿太阳电池器件尤为重要,具有挑战性。
钙钛矿太阳电池在空气环境中工作时,水分是导致其分解的关键因素之一。鉴于此,研究人员将聚乙烯吡咯烷酮引入钙钛矿吸光材料,使得制作的太阳电池具有较强的自修复功能,湿度稳定性得到明显提升。聚乙烯吡咯烷酮是一种长链绝缘聚合物,具有高密度的极性羰基,将其引入太阳电池中,可以包裹MAPbI3,形成疏水“屏障”,阻止水分子的入侵。它还能与甲胺离子(MA+)的-NH2基团形成氢键相互作用(图1),抑制甲胺的分解和挥发,从而提高电池“自愈”能力。此外,聚乙烯吡咯烷酮能够与碘甲胺形成中间络合物,抑制钙钛矿晶体的成核速度。聚乙烯吡咯烷酮的引入,实现了电池多次自修复(图2),显著提升了电池的工作寿命,并使得钙钛矿薄膜缺陷减少,晶粒增大,提高了电池的光电转化效率。
研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院“西部之光”人才培养计划项目以及“欧洲地平线2020”计划项目的支持。
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图1. (a)和(b)钙钛矿材料在水分子存在下的降解途径;MAI和含有聚乙烯吡咯烷酮的MAI在DMSO-d6溶液中的1H NMR谱图(c)和13C NMR谱图(d);(e)聚乙烯吡咯烷酮与MAI摩尔比为1:1混合制备的MAI、聚乙烯吡咯烷酮的FTIR光谱,箭头为C=O和CH3的伸缩振动峰;(f)不同浓度聚乙烯吡咯烷酮溶液下钙钛矿膜的XRD谱图;(g)含有和没有聚乙烯吡咯烷酮的O 1s在200小时后的XPS图。
图2. 含有(a)和不含(b)聚乙烯吡咯烷酮的薄膜,显示了水蒸气喷涂60秒后,自修复30秒后的状态变化;(c)钙钛矿薄膜自修复过程示意图;(d)含有6 mg mL-1聚乙烯吡咯烷酮的钙钛矿太阳能电池在65±5%相对湿度下的湿度稳定性。