有机-无机钙钛矿材料在光-电转换等领域具有巨大的应用前景。在短短4年内,钙钛矿太阳能电池的转换效率从9%提升到目前超过20%,已接近多晶硅的水平。
中科院青岛生物能源与过程研究所长时间专注于钙钛矿新材料和大规模制备工艺的开发。其能源应用技术分所的研究团队已率先利用甲脒离子代替甲胺离子开发出具有更优禁带宽度和高温稳定性的新型钙钛矿材料(FAPbI3)(Chem. Mater. DOI: 10.1021/cm404006p)。在溶液法成膜工艺上,探讨了前驱体反应的调控对提高钙钛矿薄膜均匀性的制约作用(Phys. Chem. Chem. Phys. DOI: 10.1039/C4CP02113D;Chem. Mater. DOI: 10.1021/cm5037869)。在此基础上,逄淑平博士带领研究组与美国布朗大学、厦门惟华光能公司合作开发出一种全新的气体后修复技术,以解决钙钛矿大规模成膜均匀性问题,相关成果发表于国际权威化学期刊-德国应用化学(Angew. Chem. Int. Edit.),题目为 “Methylamine-Gas Induced Defect-Healing Behavior of CH3NH3PbI3 Thin Films for Perovskite Solar Cells” (http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201504379/abstract),论文得到审稿人的高度评价,被期刊编辑部选为VIP (Very Important Paper) 文章。
高质量钙钛矿薄膜的大面积制备是钙钛矿太阳能电池发展的瓶颈。目前常用的溶液旋涂法是只适应于制备小面积的钙钛矿薄膜。由于钙钛矿材料自身易于结晶和溶剂相对较慢挥发的特性,在基于喷雾、涂布等工业技术制备的钙钛矿薄膜通常存在较多的缺陷结构,且均一性较差。这类缺陷会引起空间电场的不均匀分布,从而提高了光生载流子的复合几率,影响了器件的输出性能。
钙钛矿材料的吸收和脱离气体、结构重构过程及大面积修复行为
逄博士研究发现钙钛矿材料可以跟甲胺气体直接反应生成一种可以流动的液体,其良好的流动特性使其可以有效修复材料中的缺陷结构,修复后可以通过改变外部环境使气体自发脱离钙钛矿材料。整个过程类似于一个简单的呼吸过程,仅需要几秒钟的时间就可以完成钙钛矿薄膜中晶体结构的重构。且结构重构后的晶格取向性得到明显提高,这将更有利于载流子在钙钛矿薄膜内部的分离和传输。
此种气体修复工艺在狭缝涂布工艺制备的大面积钙钛矿薄膜上同样展现出超强的修复能力,合作伙伴厦门惟华光能公司证明该气体修复过程不受尺寸、基底材料等因素的限制,可以大规模制备高均匀性钙钛矿薄膜,该工艺使得开发大面积高效率钙钛矿太阳能电池成为可能。青岛能源所在此基础上已申请专利保护核心知识产权。
本研究得到中国科学院青年促进会(2015167)、国家自然科学基金委(51202266)、山东省自然科学基金重点项目(No. ZR2013FZ001)、青岛市应用基础研究计划项目(14-2-4-8-jch)、以及青岛储能技术研究院的资助。
