能源危機的顯現(xiàn)和國家“雙碳計劃”的開展催促著能源結構的轉型，光伏能源作為“取之不盡，用之不竭”的清潔能源，國家一直全力發(fā)展。鈣鈦礦太陽能電池作為第三代新型太陽能電池的佼佼者，已經(jīng)走在了商業(yè)化的道路上，但是仍然存在穩(wěn)定性不足、鉛元素的毒性等問題亟待解決。針對此，近日，杭州電子科技大學電子信息學院&杭電碳中和新能源研究院嚴文生教授團隊在國際頂級學術Top期刊Small（影響因子13.3）（https://doi.org/10.1002/smll.202309033）上發(fā)表了研究性文章。涂藝博碩士生為論文第一作者，李國棟特聘副教授、臧月副教授和嚴文生教授為論文通訊作者。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃基金和浙江省自然科學基金的支持。
鈣鈦礦薄膜作為光伏能源電子器件/組件的活性層，是制備高效穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽能電池的關鍵。本研究利用多功能添加劑咪唑烷基脲與鈣鈦礦組分中的碘化鉛提前構建絡合物作為鈣鈦礦晶體的成核位點和結晶模板，從而調(diào)控鈣鈦礦的生長動力學，并通過在鈣鈦礦晶體表層的錨定原位鈍化鈣鈦礦薄膜晶界和界面處的缺陷?；谶溥蛲榛迮c鈣鈦礦組分的有效絡合，鈣鈦礦光伏器件在大幅提升穩(wěn)定性的同時，還進一步抑制了鉛離子的泄漏。
通過對比，發(fā)現(xiàn)含有咪唑烷基脲的碘化鉛溶液在加熱后出現(xiàn)了顯著的變色反應，推測兩者之間有較強的相互作用，并利用XRD（X射線衍射）等分析證明了絡合反應的發(fā)生。此外，觀察到基于咪唑烷基脲與碘化鉛構建的絡合物可以調(diào)控鈣鈦礦晶體的生長動力學，延緩鈣鈦礦的結晶過程，獲得高質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜。
圖1 （a）咪唑烷基脲的分子示意圖，（b）碘化鉛溶液的照片，（c）碘化鉛薄膜的XRD圖譜，（d）鈣鈦礦薄膜的結晶過程照片，（e）咪唑烷基脲調(diào)控鈣鈦礦結晶的示意圖。
基于鈣鈦礦結晶生長的調(diào)控和晶界處缺陷的有效鈍化，制備的鈣鈦礦太陽能電池的效率得到顯著提升（從21.51%提升到了23.18%）。此外，由于鈣鈦礦薄膜相對穩(wěn)定性的增強和疏水性能的改善，優(yōu)化后的鈣鈦礦光伏器件的穩(wěn)定性（包括熱穩(wěn)定性、光照穩(wěn)定性、水汽穩(wěn)定性）和穩(wěn)態(tài)輸出能力同樣顯著改善。
圖2 （a）光電轉換效率曲線，（b）效率統(tǒng)計圖，（c）老化前后的XRD對比，（d）穩(wěn)態(tài)輸出曲線，（e）未封裝器件置于空氣中老化的效率跟蹤曲線。
在雨雪天氣下，封裝不完全或者損壞的鈣鈦礦光伏器件/組件會將鉛離子緩慢釋放溶解于水中從而污染土地環(huán)境。借助于咪唑烷基脲與鈣鈦礦組分之間的強相互作用，優(yōu)化后的鈣鈦礦薄膜不僅具有出色的疏水性能，同時還能夠抑制鉛離子的泄漏，體現(xiàn)了其在環(huán)境友好方面的應用價值。
圖3 鈣鈦礦薄膜浸入水中（a）一分鐘后的照片，（b）鉛泄露示意圖，（c）UV-vis圖譜，（d）鉛濃度的變化。
