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仅半年13篇Science/Nature,看这个“明星”材料如何独领风骚
发布时间: 2020-07-22 10:22 | 【 【打印】【关闭】

    近年来,由于钙钛矿具有带隙高度可调、吸收系数高和载流子寿命长等优势吸引了很多科学研究者们的兴趣,并取得了巨大成就,特别是钙钛矿太阳能电池方面。钙钛矿太阳能电池的功率转换效率从2009年的3.8%暴增至目前的29%以上。下面我们列举了2020年到目前为止,Science和Nature上关于钙钛矿及钙钛矿太阳能电池的里程碑式突破。

  1. 1月9日《Nature》:卤化物钙钛矿的应变工程和外延稳定 

  应变工程是提高半导体器件性能的强大工具,卤化物钙钛矿由于非凡的电子和光电特性,在器件应用中显示出巨大的前景。加利福尼亚大学圣迭戈分校的Sheng Xu等报道了晶格不匹配的卤化物钙钛矿衬底上卤化物钙钛矿单晶薄膜的应变外延生长。研究者们结合实验和计算研究了α-甲脒氢碘化铅(α-FAPbI)的应变工程。通过调节衬底成分(调节其晶格参数)将高达2.4%的压缩应变施加到外延α-FAPbI3薄膜上。研究证明,该应变有效改变了晶体结构,减小了带隙并增加了α-FAPbI3的空穴迁移率。相关成果以题为“Strain engineering and epitaxial stabilization of halide perovskites”发表在Nature上。

  原文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-019-1868-x 

  2. 2月19日《Nature》:解决了铅泄漏问题 

  钙钛矿太阳能电池的铅毒性以及铅渗漏等问题阻碍了其进一步开发。美国北伊利诺伊大学的Tao Xu和可再生能源国家实验的Kai Zhu等人合作,报道了一种分别在设备栈前面和后面涂覆铅吸收材料的化学方法解决由于器件损坏而引起的铅泄漏问题。在透明导电电极上,涂覆含有膦酸基团的分子膜;在金属电极上,将含有铅螯合剂的聚合物薄膜嵌入到金属电极和标准的光伏包装膜(packing film)之间。即使器件浸泡在水中,由于铅吸收膜吸收铅后发生溶胀而非溶解,所以可保持器件结构的整性,从而便于收集已破坏器件中的铅.相关成果以题为“On-device lead sequestration for perovskite solar cells”发表在Nature上。

  原文链接: https://www.nature.com/articles/s41586-020-2001-x

  3. 3月6日《Science》:高效串联太阳能电池,效率突破25.7%! 

  加拿大多伦多大学Edward H. Sargent院士和阿卜杜拉国王科技大学Stefaan De Wolf等人合作,报道了溶液处理的钙钛矿(厚度为微米级)顶部电池与全织构晶体硅异质结底部电池相结合,制得高效、稳定的钙钛矿/硅叠层太阳能电池。该太阳能电池的功率转化效率突破 25.7%,在85℃下进行400小时的热稳定测试后,以及40℃下,最大功率点测试400小时后,其性能衰减可忽略不计。这一方面得益于研究者们将硅锥体底部的耗尽宽度增加了三倍。另一方面,研究者们将自限钝化剂(1-丁硫醇)固定在钙钛矿表面上,增加了扩散长度并进一步抑制了相分离。相关成果以题为“Efficient tandem solar cells with solution-processed perovskite ontextured crystalline silicon”,发表在Science上。

  原文链接:https://science.sciencemag.org/content/367/6482/1135.abstract 

  4. 3月6日《Science》:效率27%,源于三卤合金 

  科罗拉多大学Michael D. McGehee和中国科学技术大学徐集贤等人采用三卤合金(氯、溴、碘)调节带隙和稳定钙钛矿半导体,制得了1.67 eV的宽带隙钙钛矿顶电池。将此顶电池与硅底部电池集成在一起,制得的面积为1cm2的双端单片式叠层太阳能电池的功率转化效率为27%。这主要是由于溴替代了部分碘,缩小了晶格参数,增强了氯的溶解性,使光载流子和电荷载流子迁移率增加了2倍,使得即使在100太阳光照强度下,薄膜中光诱导的相偏析得到了抑制;在60°C下,最大功率点运行1000小时后,半透明顶电池的降解不足4%。相关成果以题为“Triple-halide wide-band gap perovskites with suppressed phase segregation for efficient tandems”发表在Science上。

  原文链接:https://science.sciencemag.org/content/367/6482/1135.abstract 

  5. 3月20日《Science》:钙钛矿太阳能电池中“陷阱”之谜 

  美国北卡罗来纳大学黄劲松教授团队报道了金属卤化物钙钛矿单晶和多晶太阳能电池中陷阱态的空间和能量分布状况。单晶中的陷阱密度变化了5个数量级,最低值为2×1011 cm-3,且大部分深陷阱位于晶体表面。多晶薄膜界面上所有深度的电荷陷阱密度比薄膜内部的大1~2个数量级。薄膜内部的陷阱密度又比高质量单晶的大2~3个数量级。更令人惊讶的是,表面钝化后,在钙钛矿和空穴传输层的界面附近检测到了大多数深陷阱,其中嵌入了大量的纳米晶体,从而限制了太阳能电池的效率。相关成果以题为“Resolving spatial and energetic distributions of trap states in metal halide perovskite solar cells”发表在了Science。

  原文链接:https://science.sciencemag.org/content/367/6484/1352 

  6. 4月10日《Science》:效率26.7%!阴离子工程发挥重大作用 

  韩国科学技术高等研究院的Byungha Shin, 美国国家可再生能源实验室的Dong Hoe Kim和 Kai Zhu以及首尔大学的Jin Young Kim等合作,基于苯乙胺(PEA)的二维添加剂的阴离子工程稳定钙钛矿结构和增大带隙(~1.7 eV)。单片双端宽带隙钙钛矿/硅叠层太阳能电池的功率转化效率(PCE)高达26.7%,连续照射1000小时后,仍然保持初始效率的80%以上。进一步优化硅底部电池,以此宽带隙钙钛矿制备的钙钛矿/硅叠层太能能电池的PCE有望超过30%。相关论文以题为“Efficient, stable silicon tandem cells enabled by anion engineered wide-bandgap perovskites”发表在Science上。

  原文链接:https://science.sciencemag.org/content/368/6487/155 

  7. 4月15日《Nature》:纳米尺度缺陷,至关重要! 

  尽管低温下由液体加工而成的钙钛矿薄膜表现出强大性能,但是这种制备方法使薄膜上产生大量的晶体缺陷。钙钛矿器件的带隙内具有多种缺陷状态,这些状态会俘获电荷载流子并使它们非辐射重组。这些深陷阱状态引起光致发光的局部变化,并限制了器件性能。迄今为止,这些陷阱态的起源和分布尚不知道。英国剑桥大学卡文迪什实验室Samuel D. Stranks教授与日本冲绳科技大学大学 Keshav M. Dani教授等合作,使用光发射电子显微镜对最新卤化物钙钛矿薄膜中的陷阱态分布进行成像。通过多种测试分析表明,在纳米尺度上控制材料结构和成分对于卤化物钙钛矿器件的最优性能至关重要。相关论文以题为“Performance-limiting nanoscale trap clusters at grain junctions in halide perovskites”发表在Nature上。   

  原文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-020-2184-1

  8-9. 4月17日《Science》:神仙掐架,光还是热? 

  斯坦福大学Reinhold H. Dauskardt(通讯作者)等人以题为“Comment on “Light-induced lattice expansion leads to high-efficiency perovskite solar cells””于今年4月17日发表在Science上。该论文对Aditya D. Mohite和Wanyi Nie等对美国洛斯阿拉莫斯国家实验室Aditya D. Mohite和Wanyi Nie(共同通讯)等人以题为“Light-induced lattice expansion leads to high-efficiency perovskite solar cells”于2018年发表于Science上的论文中的观点“无热诱导的光诱导钙钛矿薄膜晶格膨胀”提出质疑。Reinhold H. Dauskardt等对黑暗和光照下加热、常温下光照和对流加热等方式处理的钙钛矿薄膜进行研究,研究结果认为Aditya D. Mohite等提出的光诱导产生晶格膨胀实质是光诱导热加热引起的晶格膨胀。

  Aditya D. Mohite等人对Reinhold H. Dauskardt等人的质疑作出回应,并以题为“Response to Comment on “Light-induced lattice expansion leads to high-efficiency perovskite solar cells”与4月17日发表在Science上。

  Aditya D. Mohite等人指出了不同于原始论文也未在原始论文中讨论的关键差异。Reinhold H. Dauskardt等人也未对这些结果进行测试分析,这些差异表明原始研究中观察到的现象可能不是简单的热诱导的晶格膨胀。

  此外,Reinhold H. Dauskardt等人的评论文章中FA0.7MA0.25Cs0.05PbI3钙钛矿的晶格常数比原始研究中的小,也比MAPbI3的晶格常数小,从而产生不同的效应。

  原文链接:https://science.sciencemag.org/content/368/6488/eaay8691 

            https://science.sciencemag.org/content/368/6488/eaba6295

  10. 4月29日《Nature》:首次制备了二维卤化物钙钛矿横向外延异质结构 

  基于钙钛矿氧化物和III-V,II-VI和过度金属硫化物半导体的外延异质结构构成了现代电子学和光电子学的基础。但是卤化物钙钛矿的原子级异质结构尚未实现,这主要是由于卤化物钙钛矿的固有离子迁移率高导致的相互扩散和较大的结宽,以及钙钛矿的化学稳定性差导致的后续层制备过程中先前层的分解。因此了解这种不稳定性的产生的根源,并制定有效的方法来抑制离子扩散至关重要。美国普渡大学的Brett M. Savoie、窦乐添以及上海科技大学的于奕等人在异质结领域取得重要进展,首次制备了二维卤化物钙钛矿外延异质结。研究通过渗入刚性π共轭的有机配体来抑制二维卤化物钙钛矿的面内离子扩散,并进而展示出了高度稳定、可调的横向外延异质结构、多异质结构和超晶格。通过高分辨的TEM揭示了近原子级界面及其外延生长。分子动力学模拟证实了这种二维钙钛矿的异质结构的无序状态降低、空穴形成能增加。研究认为,这些发现为理解卤化物钙钛矿的稳定性以及制备更精巧复杂的超薄材料奠定了基础。相关成果以题为“ Two-dimensional halide perovskite lateral epitaxial heterostructures”的文章在线发表在《Nature》上。

  原文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-020-2219-7 

  11-12. 6月19日《Science》:钙钛矿电池封装技术迈向商业化 

  近十来年,尽管太阳能电池的能量转化效率已取得了显著进展,但是由于其耐久性差,所以仍然无法商业化。提高钙钛矿的稳定性是急需解决的问题。悉尼大学Anita Ho-Baillie教授和新南威尔士大学的Lei Shi等利用气相色谱-质谱联用(GC-MS)技术揭示了有机杂化钙钛矿在热应力下分解的特征性挥发物。另外也利用GC-MS研究发现低成本的聚合物-玻璃“毯盖”式封装技术能够形成绝对密闭的体系,可防止水分进入,有效抑制了分解产物放气,限制有机杂化钙钛矿太阳能电池的分解反应。该封装技术可通过IEC光伏模件标准测试。相关论文以题为“Gas chromatography–mass spectrometry analyses of encapsulated stable perovskite solar cells”发表在《Science》上。

  该论文引起了广泛的关注,西班牙萨拉戈萨大学 Emilio J. Juarez-Perez 和 Marta Haro 在《Science》上发表了题为 Perovskite solar cells take a step forward 的评论型文章。该评论认为Lei Shi等的聚合物-玻璃“毯盖”式封装技术使得钙钛矿太阳能电池的商业化应用向前推进了一大步。

   原文链接:https://science.sciencemag.org/content/368/6497/eaba2412/tab-pdf 

             https://science.sciencemag.org/content/368/6497/1309 

  13. 7月3日《Science》:效率和稳定兼得的钙钛矿太阳能电池 

  尽管钙钛矿太阳能电池的功率转化效率已经超过了29%,但是钙钛矿太阳能电池的高效率和长期稳定通常不可兼得。英国牛津大学Henry J. Snaith教授及其团队报道了一种钙钛矿太阳能电池,在环境大气全光谱模拟阳光的条件下,未封装电池和封装电池在60℃和85℃的条件下,分别在1010和1200小时内保持80%、95%的峰值和老化效率。该项研究是将一种哌啶基离子化合物加入到甲酰胺-三卤化铅-钙钛矿吸收剂中,展示了高弹性正-本征-负的钙钛矿太阳能电池。由于带隙被调整为非常适合于硅基钙钛矿串联电池,这种哌啶添加剂提高了开路电压和电池效率。侵蚀性老化期间,这种添加剂阻碍了成分分离成杂质相和钙钛矿吸收层中形成针孔,提高了钙钛矿电池的寿命。相关论文以题为“A piperidinium salt stabilizes efficientmetal-halide perovskite solar cells”于2020年7月3日发表在Science上。   

  原文链接:https://science.sciencemag.org/content/367/6482/1135 

  文章来源:高分子科学前沿、新材料网

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