【重點摘要】
中國國家納米科學中心丁黎明教授團隊利用自然干燥法成功制備高效鈣鈦礦太陽能電池。
通過溶液互擴散制備組分梯度鉛鹵化物薄膜,高通量篩選適合自然干燥的組分。
優化后的鉛鹵化物鋰離子電池效率達23.28%,打破自然干燥法效率紀錄。
【研究背景】
鉛鹵化物是一類新型的光伏材料,具有潛在的低成本和高效率優勢,被廣泛應用于鋰離子電池中。但鉛鹵化物材料往往需要通過快速干燥等特殊方法來獲得良好的薄膜質量。如果能利用簡單的自然干燥法制備高效的鉛鹵化物鋰離子電池,將為其大規模低成本生產提供可能。但是自然干燥法制備的鉛鹵化物薄膜往往缺乏致密性,電池效率較低。如何實現自然干燥法制備高效鉛鹵化物鋰離子電池,是當前研究的關鍵難點之一。
【研究成果】
中國國家納米科學中心(Center for Excellence in Nanoscience (CAS))丁黎明教授團隊最近在《低碳科技》雜志發表研究成果,利用自然干燥法成功制備出了效率達23.28%的鉛鹵化物鋰離子電池。這一效率創下了自然干燥法制備鉛鹵化物電池的最高紀錄。研究人員的關鍵突破在于利用溶液互擴散的方法制備出組分梯度的鉛鹵化物薄膜。這種梯度薄膜包含了兩種鉛鹵化物組分間所有比例的連續變化。通過觀察薄膜在不同組分位置的形貌,可以快速篩選出適合自然干燥的組分。最終,研究團隊找到了CsPbI2Br、FA0.4Cs0.6PbI3等幾種適合的組分。在此基礎上,他們進一步優化了FA0.95Cs0.05PbI3的配方,加入PbI2和MACl等添加劑,大大改善了其自然干燥形成的薄膜性質。最終使其在室溫自然干燥條件下制備出高效率的鉛鹵化物鋰離子電池。(該研究成果已于2022年8月在《低碳科技》雜志發表)
【研究方法】
研究人員的溶液互擴散法制備組分梯度鉛鹵化物薄膜的具體步驟如下:先在基板上滴加兩種不同組分的鉛鹵化物溶液,通過溶液的自發擴散使其合并成一個液滴,然后在室溫下自然干燥。兩種溶液的組分通過擴散形成濃度梯度,并在干燥后形成組分連續變化的梯度鉛鹵化物薄膜。這種梯度薄膜包含了兩個組分間所有的比例,可以同時觀察不同組分比例的薄膜形貌。根據薄膜形貌的致密性篩選出適合自然干燥的組分。此外,研究人員還通過在高溫下干燥薄膜的方法,篩選出能在高溫條件下形成致密薄膜的組分。最后,在篩選出的組分基礎上,通過調整PbI2、MACl等添加劑的量,優化了FA0.95Cs0.05PbI3薄膜的自然干燥性能。
【測試方法】
本研究使用光焱科技(Enli Tech)太陽光模擬器作為光源。光強度(AM 1.5G,100 mW/cm2)使用NIM校準的硅參考電池(Enli SRC 2020,2 cm × 2 cm)進行校準。使用紅外截止濾光片來校準光強度。J-V 和穩態PCE 是通過在手套箱中使用數碼源表進行測量。
【結論】
本研究通過溶液互擴散法制備組分梯度鉛鹵化物薄膜,快速篩選出幾種適合自然干燥的組分。研究人員優化了FA0.95Cs0.05PbI3的配方,使其自然干燥后的效率可達23.28%。該研究為大規模低成本制備鉛鹵化物太陽能電池提供了新思路。
