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内“病”外“治”:表面有机阳离子提升CsPbI3全无机钙钛矿相稳定性及光伏性能

环境学院赵一新教授团队发表最新成果

来源:    发布时间:2018-07-09    点击次数:

近日,上海交通大学环境科学与工程学院赵一新教授研究团队在Cell姊妹刊Joule发表了题为“Efficient α-CsPbI3 Photovoltaics with surface Terminated Organic Cations”的研究论文。在该工作中,赵一新团队报道了构筑表面单分子层有机阳离子提高全无机CsPbI3的相稳定性的策略,解决了这一长期困扰全无机钙钛矿研究领域的关键难题。赵一新研究团队长期致力于钙钛矿生长机制和高效率器件的研究,取得了一系列特色研究成果,在此之前先后在Nature Communications,Science Advances,JACS等高水平期刊上发表多篇研究论文,其中10余篇工作入选ESI高被引。

有机无机杂化钙钛矿材料凭借其低廉的制造成本,优异的光电转换效率成为近来光电转换领域的新星其器件认证效率已经达到了22.7%,展现出了巨大的商业化前景。在钙钛矿太阳能电池商业化发展进程中,钙钛矿材料的本征稳定性成为其能否商业化关键因素:有机-无机杂化钙钛矿中的有机组分在热力学上不稳定,光照和加热条件都会诱导有机组分缓慢挥发从而导致钙钛矿吸光层降解失效。相比之下,全无机钙钛矿能够避免有机组分的挥发进而有望从根本上解决组分稳定性问题。在全无机家族中,CsPbI3全无机钙钛矿材料有着与晶硅相匹配的带隙使其成为叠层电池的理想选择。但是,α-CsPbI3由于自身结构限制使其在常温下存在相稳定性较差的固有问题(内“病”),极大限制了其应用。

为解决上述难题,赵一新教授团队率先通过在钙钛矿体相中引入双胺阳离子2D组分构筑2D-3D混合钙钛矿策略成功提高了其稳定性与器件效率(Science Advances 2017, 3 (9), e1700841.)。在上述研究基础上,针对体相中的2D组分会影响载流子传输这一问题,赵一新研究团队基于内“病”外“治”的思路,通过引入有机阳离子对CsPbI3全无机钙钛矿进行表面处理,实现了在CsPbI3钙钛矿表面构筑单分子层的有机阳离子。该表面单分子层在提高CsPbI3全无机钙钛矿的热、湿稳定性的同时,也有效钝化了钙钛矿的表面缺陷,显著提升了器件效率。最终基于上述策略组装的太阳能电池达到13.5%的稳定输出效率。除了获得更高的器件效率和稳定性外,该研究揭示了在表面处理化学过程中,有机阳离子并不能与Cs离子发生离子交换形成2D/3D的混合钙钛矿,这与传统的有机-无机杂化钙钛矿中快速的离子交换截然不同。进一步论证了全无机钙钛矿材料优异的组分化学稳定性,提升了其应用前景。

本工作的第一作者为环境科学与工程学院的博士后王勇,赵一新教授为唯一通讯作者。该工作得到国家自然基金(No. 21777096),霍英东基金(No. 151046),上海曙光人才计划(No. 17SG11)和中国博士后科学基金(No. 2017M621466)的支持。

论文链接:Wang, Y.; Zhang, T; Kan M.; Li, Y.; Wang, T. Zhao, Y.,Joule, 2018, doi.org/10.1016/j.joule.2018.06.013. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435118302782.

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