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寧波材料所在倒置結構鈣鈦礦太陽能電池研究方面取得重要進展
導讀：中國科學院寧波材料技術與工程研究所有機光電材料與器件團隊在葛子義研究員的帶領下，前期通過薄膜形貌調控、新型二維鈣鈦礦材料設計和載流子傳輸層修飾等手段，大幅提升了剛性和柔性鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩定性。
【塑料機械網 科技創新】雙碳政策驅動下的光伏需求逐步呈現井噴式增長，未來光伏在一次性能源消費領域的占比將從不到1%提升到25%以上，光伏市場前景可期。鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）作為第三代新型太陽能電池，其單結電池實驗室認證效率(PCE)已經達到26.14%，可與晶硅太陽能電池相媲美。PSCs在制備工藝和制造成本方面更具優勢，未來有望替代晶硅電池，并將掀起光伏行業的新一輪技術變革。然而，鈣鈦礦薄膜中非輻射復合位點的存在以及鈣鈦礦光活性層和電荷傳輸層之間的能級不匹配是載流子收集和能量利用的障礙，導致嚴重的開路電壓（VOC）損失；而且，鈣鈦礦薄膜中的缺陷在帶隙內會產生阱能態，從而捕獲載流子，加速了PSCs的降解。
為解決這一問題，中國科學院寧波材料技術與工程研究所有機光電材料與器件團隊在葛子義研究員的帶領下，前期通過薄膜形貌調控、新型二維鈣鈦礦材料設計和載流子傳輸層修飾等手段，大幅提升了剛性和柔性鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩定性。
前期研究成果
Energy Environ. Sci. 2023, 16, 5423;
Adv. Mater. 2023, 2302752;
Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e2022175;
Adv. Funct. Mater. 2023, 2301956;
Infomat 2022, e12379；
Nano Energy 2022, 93, 106800；
Energy Environ. Sci. 2022, 15, 3630；
Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2101416
近日，針對鈣鈦礦薄膜中晶體學缺陷多和鈣鈦礦太陽能電池的VOC損失嚴重的問題，團隊設計了多功能三氟硼酸鹽（PTFBK）作為鈣鈦礦前驅體溶液的添加劑。除了同時鈍化鈣鈦礦薄膜中的陰離子和陽離子缺陷外，PTFBK還可以優化器件的能級排列，削弱載流子與縱向光學聲子之間的相互作用，從而使載流子壽命大于3 µs。此外，還抑制了非輻射復合，提高了鈣鈦礦薄膜的結晶能力。因此，剛性和柔性倒置鈣鈦礦太陽能電池分別獲得了24.99%和23.48%的功率轉換效率。更重要的是，由于甲脒和氟之間的氫鍵作用，器件表現出顯著的熱、濕度和最大功率點跟蹤下的運行穩定性。同時，鈣鈦礦層中降低的楊氏模量和殘余應力也為柔性器件提供了良好的彎曲穩定性。
圖1(a)添加劑與鈣鈦礦相互作用示意圖；(b)熱載流子釋放過程示意圖；(c)鈣鈦礦太陽能電池器件結構及J-V特性曲線
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