有機-無機鹵化鉛鈣鈦礦太陽能電池(perovskite solar cell, PVSC)的認證功率轉(zhuǎn)換效率(power conversion efficiency, PCE)已經(jīng)達到了25.2%的新高,可與市場主導(dǎo)的無機光伏技術(shù)(包括多晶硅(p-Si)、銅銦鎵硒和碲化鎘)相媲美。然而,PVSC在光照、高溫等環(huán)境下的可靠性以及穩(wěn)定性仍然值得研究。目前,主要采用成分和晶體工程、封裝、電極選擇、缺陷鈍化和界面修飾等策略排除外部環(huán)境的影響來延長器件的壽命。但是,PVSC長期持續(xù)運行時的穩(wěn)定性還未實現(xiàn),阻礙了其大規(guī)模的工業(yè)化。此外,相較于熱穩(wěn)定和化學(xué)穩(wěn)定性良好,不易溶于水且毒性更低的碲化鎘材料,含鉛的鈣鈦礦材料更容易溶于雨水。

金屬有機骨架(metal-organic framework)能夠增強光伏性能,最近被廣泛應(yīng)用于鈣鈦礦光伏領(lǐng)域。例如,將MOF作為支架來引導(dǎo)鈣鈦礦的生長,或是作為添加劑/表面修飾劑來鈍化鈣鈦礦的缺陷,從而提高器件的性能和穩(wěn)定性。然而,由于大部分MOF材料載流子遷移率較低,很難用作高效的電荷傳輸層(charge-transporting layer,?CTL)。此外,PVSC中使用的MOF材料多為未功能化的原型,缺乏與PVSC集成所需的各種化學(xué)功能。

近日,香港城市大學(xué)的徐政濤教授、朱宗龍教授以及Alex K.-Y. Jen教授團隊對2D共軛的MOF材料進行硫醇功能化,并將其作為鈣鈦礦/陰極界面處的電子萃取層(electron-extraction layer, EEL)制備了太陽能電池器件。

器件的功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)高達22.02%, 長期運行穩(wěn)定性大大提高。在加速測試下(85℃,最大功率點連續(xù)光照1000小時),器件仍然能夠保持90%以上的初始效率。更加重要的是,功能化的MOF材料形成了不溶于水的復(fù)合物封裝層,捕獲了鈣鈦礦材料泄漏出的超過80%的Pb2+離子。這個方法同時解決了鈣鈦礦太陽能電池的運行穩(wěn)定性和鉛污染問題,大大推動了鈣鈦礦光伏技術(shù)的大規(guī)模工業(yè)化。該研究以題為“2D metal–organic framework for stable perovskite solar cells with minimized lead leakage”的論文發(fā)表最新一期的《Nature Nanotechnology》上。

香港城市大學(xué)徐政濤/朱宗龍《自然·納米技術(shù)》:MOF材料推動鈣鈦礦太陽能電池工業(yè)化,將鉛泄漏降至最低

【基于Zr的MOF材料】

作者制備了基于鋯(Zr)的MOF材料(ZrL3),在鋯的周圍存在著密集的自支撐硫醇陣列,提供了空間屏蔽性和穩(wěn)定性(圖1a,b)。從TEM圖中可以明顯看出Zr團簇之間的有機基團連接(圖1c,d)這些硫醇基團尤其重要,因為它們能使交聯(lián)的二硫鍵網(wǎng)絡(luò)硬化,從而捕獲重金屬離子(如鉛、汞等)。對ZrL3進行沸水處理和在空氣中100℃連續(xù)加熱處理后,PXRD圖譜仍然能夠保持,驗證了ZrL3在極端環(huán)境下的穩(wěn)定性(圖1f)。計算得出ZrL3的電子遷移率為2.81*10-7?m2V-1s-1,空穴遷移率為5.36*10-9?m2?V-1?s-1,可見其電子遷移率更高,適合作為PVSC器件中的電子萃取層。熒光光譜顯示,由于光生載流子的有效輻射復(fù)合,純鈣鈦礦膜表現(xiàn)出最強的PL強度。當鈣鈦礦膜與ZrL3接觸時,熒光強度大幅度降低(圖1h),表明ZrL3對鈣鈦礦有效的電荷提取。鈣鈦礦/ZrL3薄膜相比于純鈣鈦礦薄膜的熒光衰減也驗證了這一點(圖1i)。

香港城市大學(xué)徐政濤/朱宗龍《自然·納米技術(shù)》:MOF材料推動鈣鈦礦太陽能電池工業(yè)化,將鉛泄漏降至最低

圖1 ZrL3的穩(wěn)定性與光學(xué)特性

【ZrL3作為電子萃取層制備PVSC器件】

作者隨后制備了具有ITO/PTAA/鈣鈦礦/PC61BM/EEL/Ag結(jié)構(gòu)的有機-無機鹵化鉛鈣鈦礦太陽能電池器件(圖2a,b)。作為對比,沒有電子萃取層的器件功率轉(zhuǎn)換效率僅為18.8%,填充因子(fill factor, FF)僅71.21%。當在PC61BM與Ag電極之間引入ZrL3作為電子萃取層時,填充因子提升到了76.42%,功率轉(zhuǎn)換效率達到了20.34%。作者還在ZrL3中加入了bis-C60制備混合電子萃取層來提升電子萃取效率,并進一步將填充因子提升到81.28%,功率轉(zhuǎn)換效率提升到22.02%(圖2c)。器件的短路電流密度與外部量子效率匹配,證明了器件的可靠性(圖2d)。

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圖2 以ZrL3:bis-C60為電子萃取層的PVSC器件的光電性能

為了驗證ZrL3對穩(wěn)定性影響,作者分別對潮濕空氣和氮氣環(huán)境下器件工作性能進行了研究。結(jié)果顯示,在1000個小時連續(xù)工作后,有ZrL3的器件能夠保持90%以上的初始效率(在潮濕空氣中),而沒有ZrL3的器件效率衰減了50%以上(圖3a)。穩(wěn)定性的顯著增強主要是由于Zr離子的強配位能力,以及ZrL3中密集的硫醇和交聯(lián)的二硫鍵,保護了鈣鈦礦的耐潮濕和氧氣性能。氮氣測試中也獲得了相似的結(jié)果。圖3d,e顯示,沒有ZrL3的器件在加速測試環(huán)境下(85℃以及85%濕度),Pb2+明顯的通過電子傳輸層向Ag電極遷移。這說明在這種侵蝕老化條件下,鈣鈦礦膜很容易分解為含pb的副產(chǎn)物和銨鹽,導(dǎo)致Pb2+向其他層擴散。然而,含有ZrL3的器件的Ag電極層中幾乎沒有發(fā)現(xiàn)Pb2+離子,因為都被困在了ZrL3:bis-C60/Ag界面處,形成了Pb(II)-?ZrL3復(fù)合物(圖3f)。

【ZrL3對PVSC器件長期工作穩(wěn)定性的提升】

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圖3?ZrL3提升了器件的長期穩(wěn)定性

近105?ml??g-1的分布系數(shù)(Kd),355?mg?g-1的Pb吸附容量(qmax)以及0.103?min-1的吸附速率常數(shù)證明ZrL3電子萃取層能夠有效吸附Pb2+(圖4a,b)。將器件浸入水中后發(fā)現(xiàn),不含有ZrL3的器件Pb2+泄漏明顯強于含有ZrL3的器件。

【ZrL3阻止了PVSC器件中Pb2+的泄漏】

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圖4 ZrL3抑制了鈣鈦礦光伏器件的鉛泄漏

總結(jié):作者對2D MOF材料進行功能化,并將其作為電子萃取層制備了有機-無機鹵化鉛鈣鈦礦太陽能電池。器件的功率轉(zhuǎn)換效率達到了22%,且長期運行穩(wěn)定性得到大大提高。更重要的是,含硫醇的MOF可以通過形成不溶于水的復(fù)合物,捕獲大部分泄漏的Pb2+(超過80%)。上述結(jié)果證明了多功能MOFs大大推動了穩(wěn)定、環(huán)保的有機-無機鹵化鉛鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展與工業(yè)化。

全文鏈接:

https://www.nature.com/articles/s41565-020-0765-7

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