南開(kāi)大學(xué)【Nature】高性能鈣鈦礦電池

近日，國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《自然》( Nature )在線(xiàn)發(fā)表南開(kāi)大學(xué)化學(xué)學(xué)院袁明鑒教授課題組與加拿大多倫多大學(xué)Edward H. Sargent教授課題組吉印通研究進(jìn)展。

該研究題為“High-efficiency and thermally stable FACsPbI3 perovskite photovoltaics”。團隊針對鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在高溫工況條件下穩定性不足這一領(lǐng)域難題進(jìn)行深入研究，首次揭示了合金鈣鈦礦薄膜內部復雜的化學(xué)組分偏析問(wèn)題。基于此，研究團隊發(fā)展了一種全新的原位結晶動(dòng)力學(xué)調控策略，成功制備出了兼具高效率與高工況穩定性的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件，標志著(zhù)在該領(lǐng)域的重大技術(shù)突破。

南開(kāi)大學(xué)為第一通訊單位，化學(xué)學(xué)院袁明鑒教授、加拿大多倫多大學(xué)Edward H. Sargent教授為該論文通訊作者。

研究指出，目前高性能鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在制備過(guò)程中往往需要依賴(lài)氯化甲銨添加劑來(lái)穩定物相并調控結晶。然而，這種添加劑在高溫條件下極易分解，引發(fā)鈣鈦礦薄膜化學(xué)組分失衡，進(jìn)而顯著(zhù)降低電池在高溫工況下的運行穩定性，成為制約高性能鈣鈦礦光伏商業(yè)化進(jìn)程的主要障礙。

FACsPbI3合金鈣鈦礦具有高相態(tài)與化學(xué)穩定性，理論上無(wú)需依賴(lài)氯化甲銨添加劑，是實(shí)現高性能高穩定鈣鈦礦太陽(yáng)能電池最有希望的候選材料。然而，傳統方法制備的FACsPbI3鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在實(shí)際應用中，性能與工況穩定性遠低于理論預期，原因亟待深入探討。因此，深挖鈣鈦礦光伏材料本征結構穩定性，理解FACsPbI3合金鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件失效機制，實(shí)現高效高溫工況穩定的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件可控構筑，成為推動(dòng)鈣鈦礦光伏技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的迫切需求。

圖：結晶路徑轉變策略實(shí)現高效率高溫工況穩定FACsPbI3鈣鈦礦太陽(yáng)能電池

袁明鑒教授課題組長(cháng)期致力于高性能鈣鈦礦半導體光電材料與器件研究。在持續探索新型高穩定鈣鈦礦材料體系過(guò)程中，課題組利用同步輻射光源等大科學(xué)裝置，在前期開(kāi)展了大量的時(shí)間空間分辨原位表征實(shí)驗，系統探究了FACsPbI3合金鈣鈦礦的結晶動(dòng)力學(xué)行為。基于以上研究，團隊首次揭示了在FACsPbI3合金鈣鈦礦中，由于時(shí)空差異性結晶行為導致的組分縱向梯度偏析問(wèn)題，并指出該問(wèn)題是導致FACsPbI3鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件性能低和高溫工況穩定性不足的關(guān)鍵因素。

在此基礎上，課題組與合作單位開(kāi)展了深入的理論模擬研究，闡明了該空間組分異質(zhì)性的根本成因。隨后，通過(guò)理性篩選配體化學(xué)結構，結合多維度原位結晶動(dòng)力學(xué)研究，研究團隊首次提出了具有普適性的結晶路徑調控轉換策略，最終實(shí)現了高質(zhì)量無(wú)甲銨FACsPbI3鈣鈦礦薄膜可控制備，徹底解決了FACsPbI3鈣鈦礦薄膜的空間組分異質(zhì)性問(wèn)題。利用該策略制備的FACsPbI3鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件，展現出了世界一流的能量轉換效率與高溫工況穩定性。經(jīng)過(guò)福建國家光伏產(chǎn)業(yè)計量中心和中國科學(xué)院上海微系統與信息技術(shù)研究所的權威認證，該器件的穩態(tài)能量轉換效率達到了目前正式鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的最高水平。

該項研究立足化學(xué)基礎學(xué)科，結合了先進(jìn)的理論模擬分析技術(shù)，融合了凝聚態(tài)物理與半導體器件等多學(xué)科交叉研究手段，成功實(shí)現了對鈣鈦礦半導體材料本征結構特性及構效關(guān)系的進(jìn)一步深入理解，發(fā)展了高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜關(guān)鍵光伏材料可控制備新原理和新方法，為新一代鈣鈦礦光伏電池技術(shù)發(fā)展賦能。

化學(xué)學(xué)院物理化學(xué)專(zhuān)業(yè)博士研究生李賽賽、王迪、丁紫津，化學(xué)學(xué)院特聘研究員姜源植為該論文共同第一作者。

上述研究工作得到了國家杰出青年科學(xué)基金、國家自然科學(xué)基金委創(chuàng )新群體等項目的資助，同時(shí)也得到了特種化學(xué)電源全國重點(diǎn)實(shí)驗室、有機新物質(zhì)創(chuàng )造前沿科學(xué)中心等平臺的大力支持。

論文鏈接：

021yin.com/articles/s41586-024-08103-7

來(lái)源：南開(kāi)大學(xué)