寧波材料所在鈣鈦礦電池穩(wěn)定性方面取得重要進(jìn)展
鈣鈦礦太陽(yáng)能電池成本低，效率高，被認(rèn)為是最有希望實(shí)現(xiàn)低成本發(fā)電的光伏技術(shù)之一?，F(xiàn)在高效率的鈣鈦礦電池普遍采用高溫?zé)Y(jié)的TiO2，限制了其在柔性器件中的應(yīng)用，而且TiO2在光的作用下可以催化分解鈣鈦礦，嚴(yán)重影響電池的穩(wěn)定性。目前鈣鈦礦電池的效率已經(jīng)超過(guò)23%，穩(wěn)定性問(wèn)題已經(jīng)成為限制其走向?qū)嵱没淖畲笃款i。
寧波材料所方俊鋒研究員圍繞上述問(wèn)題展開(kāi)深入研究，并取得重要進(jìn)展。首先，針對(duì)TiO2需要高溫處理的問(wèn)題，提出采用極性富勒烯（C60 pyrrolidine tris-acid，CPTA）來(lái)替代TiO2作為電子傳輸材料，實(shí)現(xiàn)了柔性鈣鈦礦電池效率>17%（Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1701144）；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步在界面處引入PbI2作為晶核，通過(guò)界面誘導(dǎo)成核優(yōu)化鈣鈦礦晶體生長(zhǎng)，使器件效率提升至20.2%（Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1706317）。同時(shí)，在空穴傳輸材料方面，通過(guò)對(duì)聚電解質(zhì)傳輸材料抗衡離子的選擇（P3CT-N），有效抑制了聚電解質(zhì)的過(guò)度聚集，從而改善了鈣鈦礦薄膜在界面上的生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)了反向p-i-n鈣鈦礦電池效率>19%，柔性器件效率也達(dá)到18%，1cm*1cm的大面積器件效率>15%（ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 31357; Advanced Science, 2018, 1800159）。
在上述高效p-i-n鈣鈦礦電池的基礎(chǔ)上，最近，該研究團(tuán)隊(duì)在鈣鈦礦電池的工作穩(wěn)定性方面進(jìn)一步取得重要進(jìn)展。太陽(yáng)能電池在實(shí)際發(fā)電（光照且外加負(fù)載）過(guò)程中的連續(xù)功率輸出是衡量其能否實(shí)用化的核心指標(biāo)。在實(shí)際工作中，鈣鈦礦薄膜內(nèi)部的離子會(huì)沿晶界發(fā)生定向遷移，這是造成鈣鈦礦電池效率衰退的重要原因。針對(duì)此問(wèn)題，該團(tuán)隊(duì)率先提出原位交聯(lián)的策略來(lái)制備鈣鈦礦電池。在鈣鈦礦薄膜中引入一種可交聯(lián)的液體有機(jī)小分子（trimethylolpropane triacrylate, TMTA，圖1a），借助TMTA與晶界處PbI2的配位作用，使TMTA化學(xué)“錨釘”在鈣鈦礦晶界處，有效鈍化晶界缺陷，實(shí)現(xiàn)>20%的器件效率；更重要的是，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步加熱處理，TMTA能夠發(fā)生原位交聯(lián)（圖1b），在晶界處形成穩(wěn)定的交聯(lián)聚合物網(wǎng)絡(luò)（圖1c），使鈣鈦礦薄膜的離子遷移活化能由0.21eV提升至0.48eV，從而有效抑制離子沿晶界的遷移。基于此策略的鈣鈦礦電池在全光譜標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光下經(jīng)過(guò)400小時(shí)的連續(xù)最大功率輸出（負(fù)載0.84V）仍能維持初始效率的80%（圖2），相對(duì)于傳統(tǒng)的鈣鈦礦電池，其工作穩(wěn)定性（T80）提升了590倍。該工作首次實(shí)現(xiàn)了甲胺鉛碘鈣鈦礦電池在標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光（Xe燈）、全光譜（不濾光）下>200小時(shí)的長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性，為高效穩(wěn)定鈣鈦礦電池的制備提供了全新的思路與方法。同時(shí)，鈣鈦礦電池的空氣穩(wěn)定性（濕度45%-60%）和熱穩(wěn)定性（85℃）也有明顯提升，經(jīng)過(guò)>1000小時(shí)老化后仍能維持初始效率（或post burn-in效率）的90%以上。相關(guān)工作以“In-situ cross-linking strategy for efficient and operationally stable methylammoniun lead iodide solar cells” 為題發(fā)表在Nature Communications上(Nat. Commun. 2018, 9, 3806；論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-018-06204-2)。方俊鋒研究員為該論文的唯一通訊作者，李曉冬博士為第一作者。
上述工作得到中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究計(jì)劃（CAS QYZDB-SSW-JSC047）、國(guó)家自然科學(xué)基金（51773213，61474125）及博士后基金（2017M610380）等項(xiàng)目的支持。
圖1 (a) TMTA化學(xué)結(jié)構(gòu)；(b) TMTA加熱交聯(lián)；(c) TMTA在鈣鈦礦薄膜中原位交聯(lián)示意圖
圖2 基于原位交聯(lián)策略的鈣鈦礦電池的連續(xù)功率輸出（標(biāo)準(zhǔn)Xe燈光源，全光譜，恒定0.84V負(fù)載）
（新能源所 李曉冬）