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          科研進(jìn)展

          科學(xué)島團隊基于納米材料氧化調控空穴傳輸層構筑高效穩定鈣鈦礦太陽(yáng)能電池

          作者:董盈盈,靳夢(mèng)琦發(fā)布時(shí)間:2024-03-06【打印】【關(guān)閉】
            近日,中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院固體所能源材料與器件制造研究部陳沖、王命泰研究員團隊在鈣鈦礦太陽(yáng)電池研究方面取得新進(jìn)展。研究人員首次提出了無(wú)機納米材料氧化調控有機空穴傳輸層 2,2',7,7'-[N,N-(4-甲氧基苯基 )氨基 ]-9,9'-螺二芴 ( spiro-OMeTAD)的摻雜策略,使鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光電轉換效率提高到了 24.5%,并且顯著(zhù)提升了電池穩定性。相關(guān)研究成果發(fā)表在 Nano Energy 上。

             在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池(PSCs)中,spiro-OMeTAD是最關(guān)鍵的空穴傳輸層(HTL)材料,其形貌結構和光電性質(zhì)顯著(zhù)影響著(zhù)太陽(yáng)能電池的空穴傳輸和收集能力,也對外界環(huán)境中的水氧向鈣鈦礦活性層滲透起著(zhù)重要的阻擋作用,因此,spiro-OMeTAD對電池的效率和穩定性起著(zhù)重要作用。為了提高spiro-OMeTAD的電荷輸運能力,通常需要摻雜雙三氟甲磺酰亞胺鋰(Li-TFSI)以介導氧氣與spiro-OMeTAD之間的反應產(chǎn)生更多的spiro-OMeTAD?+TFSI自由基。但這種傳統的摻雜方法摻雜效率低,過(guò)量的Li-TFSI會(huì )殘留在spiro-OMeTAD薄膜中,導致薄膜形貌致密性和平整度以及薄膜的長(cháng)期導電性變差;其次,氧化反應時(shí)長(cháng)依賴(lài)于環(huán)境條件,通常需要10-24小時(shí)的時(shí)間才能達到合適的電導率和功函數,嚴重阻礙了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的商業(yè)化發(fā)展。 

            鑒于此,研究人員開(kāi)發(fā)了一種可行的納米材料調控氧化策略,利用SnSO納米材料在前體溶液中將spiro-OMeTAD預氧化為spiro-OMeTAD?+TFSI自由基以提高HTM的電導率、優(yōu)化與鈣鈦礦的能級位置,獲得了24.5%的光電轉換效率。此外,研究發(fā)現SnSO納米材料調控的spiro-OMeTAD HTL具有無(wú)針孔、均勻、光滑的形貌,即使在高溫高濕條件下,其性能和形貌仍然相當穩定。另外,該氧化過(guò)程時(shí)間非常短(1-2小時(shí)),有利于提升電池的商業(yè)化制備效率。該研究為進(jìn)一步提升PSCs的效率和穩定性提供了有效的策略,對推動(dòng)PSCs商業(yè)化具有重要意義。 

            固體所 -河南大學(xué)聯(lián)合培養博士研究生靳夢(mèng)琦為論文第一作者,固體所陳沖研究員、王命泰研究員及河南大學(xué)劉榮副教授為該論文的共同通訊作者。該工作主要得到了河南省科技攻關(guān)項目、國家自然科學(xué)基金和中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院院長(cháng)基金等項目的資助。
          .a)該研究中采用的太陽(yáng)能電池結構;(b)空穴傳輸材料中反應的示意圖;(c spiro-OMeTAD 溶液氧化過(guò)程中顏色變化的簡(jiǎn)單示意圖;(d)基于傳統 spiro-OMeTAD 和預氧化 spiro-OMeTAD:SnSO (在不同溫度下處理的 SnSO 納米材料)的 PSCs 的初始電流密度-電壓( J -V )曲線(xiàn);(e)基于不同 HTM 的冠軍 PSC J-V 曲線(xiàn);在(f 50 10% 的高濕度和(g 85 5 C 的熱老化條件下,基于傳統和 SnSO 納米材料摻雜 spiro-OMeTAD 的未封裝 PSCs PCE 跟蹤;(h)最大功率點(diǎn)的穩態(tài)測試;(i)具有不同 HTM 的冠軍器件的 IPCE 光譜。

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