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高效钙钛矿太阳能电池 具有增强的稳定性和最小的铅泄漏

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在过去的十年中,钙钛矿太阳能电池(PVSC)的功率转换效率(太阳能电池的未来)已经得到了很大的改善,但不稳定和潜在的环境影响问题仍待克服。最近,香港城市大学(CityU)的科学家开发了一种新颖的方法,该方法可以同时解决PVSC中铅的泄漏和稳定性问题,而不会影响效率,为钙钛矿光伏技术的实际应用铺平了道路。

研究小组由城大教务长兼化学及材料科学系讲座教授詹冠月教授,以及化学系徐正涛教授及朱宗龙博士共同领导。他们的研究发现最近发表在科学期刊《自然纳米技术》上,标题为“二维金属有机框架,用于稳定钙钛矿型太阳能电池,并使铅泄漏降至最低。”

当前,PVSC的最高功率转换效率已经与最新的硅基太阳能电池相提并论。然而,所使用的钙钛矿包含铅组分,这引起对潜在环境污染的关注。PVSCs专家Jen教授解释说:“随着太阳能电池的老化,铅物质可能会通过设备泄漏,例如通过雨水渗入土壤,对环境构成毒性威胁。” “要将PVSC应用于大规模的商业用途,不仅需要高功率转换效率,而且还需要长期的设备稳定性和对环境的影响最小化。”

任教授和朱博士与徐教授(其材料专长是材料合成)合作,带领团队通过将二维(2-D)金属有机框架(MOF)应用于PVSC来克服上述挑战。詹教授总结说:“我们是第一个制造具有最小铅泄漏,良好长期稳定性和高功率转换效率的PVSC器件的团队。”

多功能MOF层

金属有机骨架(MOF)材料先前已被用作支架,以钙钛矿的生长为模板。科学家还将它们用作添加剂或表面改性剂,以钝化钙钛矿的缺陷(以降低材料表面的反应性),从而增强器件的性能和稳定性。

超过80%的泄漏铅离子被捕获在MOF顶层,以减轻潜在的环境影响。信用:DOI:10.1038 / s41565-020-0765-7

但是,大多数3-D MOF具有很低的电荷载流子迁移率,具有很强的电绝缘性,因此不适合用作电荷传输材料。

但是徐教授准备的财政部是不同的。它们是蜂窝状的二维结构,配备了许多巯基作为关键功能。它们具有合适的能级,使它们成为电子提取层(也称为“电子收集层”),在该层中,电子最终被PVSC的电极收集。徐教授解释说:“我们的分子工程MOF具有多功能半导体的特性,可用于提高电荷提取效率。”

捕获铅离子以防止污染

更重要的是,MOF中密集的巯基和二硫键阵列可以在钙钛矿电极界面上“捕获”重金属离子,以减轻铅泄漏。

詹教授解释说:“我们的实验表明,MOF用作PVSC装置的外层,可捕获降解的钙钛矿中80%以上的泄漏铅离子,并形成不会污染土壤的水不溶性复合物。” 与其他研究中用于减少铅泄漏的物理封装方法不同,器件中集成的MOF组件对铅的原位化学吸附被发现对于长期的实际应用更为有效和可持续。

与r-PVSC(无MOF的PVSC)相比,从老化的M-PVSC(具有MOF的PVSC)中提取的水溶液中的铅浓度急剧下降。这归因于MOF中稠密的巯基和二硫键阵列与泄漏的铅离子之间的化学反应。信用:DOI:10.1038 / s41565-020-0765-7

实现长期的运行稳定性

此外,这种MOF材料可以保护钙钛矿免受潮气和氧气的影响,同时保持高效率。

使用MOF修改的PVSC器件的功率转换效率可以达到22.02%,填充系数为81.28%,开路电压为1.20V。记录的转换效率和开路电压均是针对该器件报告的最高值。平面倒置PVSC。同时,该器件在相对湿度为75%的环境中表现出卓越的稳定性,在1100小时后仍保持其初始效率的90%。相反,不带MOF的PVSC的功率转换效率显着下降到其原始值的50%以下。

同样,他们的设备在85°C连续照射1000小时的情况下仍保持其初始效率的92%。朱博士说:“这种稳定性已经达到了国际电工委员会(IEC)设定的商业化标准。”

詹教授补充说:“这是非常重要的结果,证明了我们的MOF方法在技术上是可行的,并且具有将PVSC技术商业化的潜力。”

用于清洁能源应用的高效PVSC

团队花了将近两年的时间才能完成这项有希望的研究。他们的下一步将是进一步提高功率转换效率,并探索降低生产成本的方法。

詹教授总结说:“我们希望将来这类PVSC的制造就像'打印'报纸并易于扩大生产规模一样,有助于为清洁能源应用大规模部署高效PVSC。”

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