暨南大學麥耀華團隊EES：基于CsxFA1-xPbI3-[GaAA3]4核殼結構的高效穩定鈣鈦礦太陽電池

【引言】

近年來，新型鈣鈦礦太陽電池得到了迅猛的發展，短短幾年內，轉換效率已經提升至現在的22.7%^[1-3]，受到了人們的廣泛關注，然而該類電池的穩定性成為限制其進一步產業化的瓶頸。

【成果簡介】

近日，暨南大學新能源技術研究院麥耀華教授團隊的論文“In-situ Induced Core/Shell Stabilized Hybrid Perovskites via Gallium(III) Acetylacetonate Intermediate towards Highly Efficient and Stable Solar Cells”在Energy & Environmental Science（EES）雜志上發表。EES是英國皇家化學會(Royal Society of Chemistry，RSC)的會刊，是能源與環境領域影響因子最高的雜志（IF=29.518）。暨南大學范建東教授和麥耀華教授為文章共同通訊作者，李聞哲副研究員和河北大學碩士生張翠苓為共同第一作者。

該研究得到廣東省高水平大學建設經費的資助，同時也得到國家自然科學基金委面上項目(51672111)、暨南大學科研培育與創新基金青年基金項目(21617341)的支持。

暨南大學新能源技術研究院是以國家“千人計劃”特聘專家麥耀華教授為學術帶頭人，為打造高水平新能源技術創新研發平臺而成立的研究團隊。新能源技術研究院以技術創新和人才培養為工作重心，通過面向產業化的前沿技術研發、科研成果轉化和創新型人才培養，推動學科建設和新能源產業的發展。目前，研究院有專職科研人員12名，擁有包括PECVD、濺射和SEM、XRD等大型材料與器件的制備與表征設備50余臺（套），主要開展高效率晶體硅太陽電池、化合物薄膜太陽電池、鈣鈦礦太陽電池、鋰電池和光伏系統等方向的研究。

【本文亮點】

該研究工作制備得到了具有核殼結構的鈣鈦礦晶體薄膜，極大地提高了鈣鈦礦晶粒的防水性，并且通過鈍化鈣鈦礦晶界的缺陷態，有效地提高了電池在潮濕環境中的穩定性和能量轉換效率，器件在50%濕度條件下800h后仍能保持最初效率的90%。

【圖文導讀】

圖1.鈣鈦礦晶體薄膜結構調控

通過在鈣鈦礦前驅體溶液中加入乙酰丙酮鎵（GaAA₃），在旋涂和退火過程中，GaAA₃經異構化過程生成[GaAA₃]₄，并與鈣鈦礦晶粒形成核殼結構的晶體薄膜。

(a)GaAA₃與異構化的[GaAA₃]₄單晶結構示意圖

(b)GaAA₃-MAI單晶結構示意圖

(c)立方相的Cs_xFA_1-xPbI₃結構示意圖

(d-f)核殼結構鈣鈦礦的HRTEM圖像與傅里葉變換圖像

圖2.薄膜的水氧穩定性

Cs_xFA_1-xPbI₃-[GaAA₃]₄核殼結構的晶體薄膜提高了薄膜的疏水性，有效地抑制了水對鈣鈦礦薄膜的分解作用。

(a-c)水在不同摻雜濃度的鈣鈦礦薄膜上的接觸角測試圖

(d)鈣鈦礦薄膜穩定性測試結果圖與測試原理圖

圖3.薄膜的熒光光譜測試

GaAA₃摻雜提高了薄膜的熒光強度和壽命，同時熒光發射峰位隨濃度的提高發生藍移，說明GaAA₃摻雜降低了鈣鈦礦薄膜的缺陷態密度。

(a)不同摻雜濃度的鈣鈦礦薄膜的穩態PL譜圖

(b)不同摻雜濃度的鈣鈦礦薄膜的瞬態PL譜圖

(c)不同摻雜濃度的鈣鈦礦薄膜的熒光壽命數值

(d-f)不同摻雜濃度的鈣鈦礦薄膜的熒光壽命mapping圖

圖4.器件的光伏特性

摻雜后的鈣鈦礦太陽能電池器件的最優效率達到18.24%，穩定化效率輸出5h后仍然穩定在18%以上。器件在50%相對濕度的條件下，800h后仍能保持最初效率的90%。

(a)最優器件的J-V曲線與效率統計圖

(b)最優器件對應的EQE與積分電流圖

(c)最優器件的穩定化效率輸出曲線圖

(d)器件在50%相對濕度下的穩定性圖

展望

該研究工作創新性地將GaAA₃與鈣鈦礦Cs_xFA_1-xPbI₃前驅體進行組裝，通過原位生長獲得了具有Cs_xFA_1-xPbI₃-[GaAA₃]₄核殼結構的鈣鈦礦晶體薄膜。異構化的乙酰丙酮鎵([GaAA₃]₄)作為殼層極大地提高了鈣鈦礦晶粒的防水性，并且通過鈍化鈣鈦礦晶界的缺陷態，有效的提高了電池器件在潮濕環境中的能量轉換效率和穩定性。該研究對鈣鈦礦材料本體的結構進行調控，實現了器件穩定性的提高。為制備高效穩定的鈣鈦礦太陽能電池提供了新的思路和方法，推進了鈣鈦礦的產業化進程。

參考文獻

[1] Kojima A, Teshima K, Shirai Y, Miyasaka T, J. Am. Chem. Soc, 2009, 131, 6050

[2] Yang W S, Noh J H, Jeon N J, Kim Y C, Ryu S, Seo J, Seok S I. Science,2015, 348, 1234

[3] https://www.nrel.gov/pv/assets/images/efficiency-chart.png.

文獻鏈接：In situ induced core/shell stabilized hybrid perovskites via gallium(III) acetylacetonate intermediate towards highly efficient and stable solar cells （Energy Environ. Sci.，2018，DOI：10.1039/C7EE03113K）?

本文由暨南大學麥耀華老師團隊提供。

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