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EES：川大趙德威團(tuán)隊(duì)在環(huán)境友好錫基鈣鈦礦太陽能電池方面取得新進(jìn)展
來源：四川大學(xué) 2022-11-07
導(dǎo)讀：10月27日，國際學(xué)術(shù)期刊Energy & Environmental Science在線發(fā)表了材料科學(xué)與工程學(xué)院趙德威教授、北京師范大學(xué)龍閏教授、中科院福建物構(gòu)所高鵬教授合作團(tuán)隊(duì)題為“Revealing Superoxide-Induced Degradation in Lead-free Tin Perovskite Solar Cells”的研究成果。
Energy & Environmental Science由英國皇家化學(xué)學(xué)會(huì)（RSC）出版社主辦，在國際上享譽(yù)盛名，是RSC旗下世界公認(rèn)的能源與環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的頂級刊物，在能源和環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域400余份期刊中排名前二。合作團(tuán)隊(duì)分別從理論與實(shí)驗(yàn)角度對環(huán)境友好型錫基鈣鈦礦FASnI3的光氧穩(wěn)定性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，揭示了超氧離子對錫基鈣鈦礦和太陽能電池穩(wěn)定性的致命影響，并提出了提升穩(wěn)定性和效率的應(yīng)對策略。目前，環(huán)境友好型錫基鈣鈦礦材料在光電應(yīng)用領(lǐng)域已顯示出巨大的潛力。與鉛基鈣鈦礦材料相比，其不僅具有較輕的生物毒性，而且具有同樣優(yōu)異的光電性能，包括更窄的帶隙和更高的載流子遷移率。基于此，錫基鈣鈦礦電池的光電轉(zhuǎn)換效率目前已經(jīng)突破14%。錫基鈣鈦礦最嚴(yán)重的問題在于其更容易受到氧氣的影響（Sn2+易被氧化為Sn4+），這一缺點(diǎn)雖然已引起廣泛的研究，然而它們在同時(shí)光照和氧氣（以下簡稱光氧）暴露條件下的穩(wěn)定性尚待探索。在本工作中，合作團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)了錫基鈣鈦礦FASnI3在光氧暴露條件下比僅在氧氣暴露條件下會(huì)發(fā)生更加嚴(yán)重的降解，這是由于氧氣接受光激發(fā)電子從而產(chǎn)生的超氧離子所引起的。進(jìn)一步地，提出并證明了超氧誘導(dǎo)FASnI3降解的途徑：即超氧離子可以使FASnI3分解成CH4N2、SnO2、I2和H2O。理論計(jì)算結(jié)果表明，與FAPbI3相比，超氧離子的最優(yōu)形成位點(diǎn)（碘空位，VI）在FASnI3中更容易形成，并且在FASnI3的VI處超氧離子的生成在能量上更加有利。上述結(jié)果表明超氧離子對錫基鈣鈦礦會(huì)造成更加負(fù)面的影響。因此，合作團(tuán)隊(duì)通過在前驅(qū)體溶液中加入含鹵素的添加劑theophylline-Br以填充FASnI3中的碘空位VI來抑制超氧離子的形成。結(jié)合基于熒光分子探針的超氧離子產(chǎn)率測試，電容主導(dǎo)的相關(guān)表征（例如熱導(dǎo)納光譜、激勵(lì)電平電容壓型、莫特肖特基測試等）可系統(tǒng)地區(qū)分鈍化處理后鈣鈦礦薄膜表面和內(nèi)部VI的減少。由于theophylline-Br對鈣鈦礦表面和內(nèi)部VI的良好鈍化作用，有效抑制了超氧離子的形成，顯著提高了器件的光氧穩(wěn)定性，并將器件效率提升到13.8%。這一工作所揭示的機(jī)理表明了超氧離子對錫基鈣鈦礦穩(wěn)定性的致命影響，并為未來錫基鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性改善策略的研究提供了全新的思路和見解。四川大學(xué)2021級博士生張志皓為論文第一作者，四川大學(xué)趙德威教授、北京師范大學(xué)龍閏教授和中科院福建物構(gòu)所高鵬教授為論文共同通訊作者。四川大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院為第一通訊單位。上述研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委、四川大學(xué)工科特色團(tuán)隊(duì)、四川省科技計(jì)劃項(xiàng)目、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金等資助。參考資料：https://news.scu.edu.cn/info/1153/40852.htm
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