在短短幾年里，有機(jī)金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池得到迅速發(fā)展，其光電轉(zhuǎn)換效率從3.8％上升到22.7％。無機(jī)半導(dǎo)體材料ZnO具有較高的電子遷移率，有望作為一種優(yōu)異的電子傳輸層材料以實(shí)現(xiàn)高性能的鈣鈦礦太陽能電池。然而，ZnO和鈣鈦礦層之間的化學(xué)相容性很差，鈣鈦礦層的質(zhì)子化甲基銨陽離子很容易被直接接觸的ZnO(堿性氧化物)奪去質(zhì)子而造成鈣鈦礦層的分解，使得基于ZnO電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性非常差。
廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院鄭南峰教授課題組在鈣鈦礦太陽能電池方面的界面配位化學(xué)研究方面取得重要進(jìn)展，相關(guān)成果以Efficient,Hysteresis-freeand Stable Perovskite Solar Cells with ZnO as Electron Transport Layer: Effectof Surface Passivation 為題，在線發(fā)表于Adv. Mater.上。
修飾后的材料結(jié)構(gòu)及性能改變
該項(xiàng)研究通過在ZnO表面配位化學(xué)修飾一薄層MgO橋連的質(zhì)子化乙醇銨，實(shí)現(xiàn)了高效、無遲滯以及穩(wěn)定鈣鈦礦電池的加工。系統(tǒng)的研究工作發(fā)現(xiàn)，相關(guān)界面配位化學(xué)調(diào)控取到如下重要作用：
1) 在ZnO表面上修飾薄層MgO，使乙醇胺的配位方式由非解離中性配位向解離單齒配位轉(zhuǎn)變，質(zhì)子化的乙醇銨促進(jìn)光生電子從鈣鈦礦層向ZnO層的有效提取和傳輸，提高了該太陽能電池的短路電流，并完全消除了其遲滯現(xiàn)象;
2) 質(zhì)子化的乙醇銨使鈣鈦礦中的質(zhì)子化甲基銨陽離子不容易遷移到ZnO電子傳輸層的表面，起到了表面鈍化作用，提高了鈣鈦礦-ZnO電子傳輸層界面的化學(xué)穩(wěn)定性，從而提升了電池的整體穩(wěn)定性；
3) MgO和乙醇胺的共修飾提高了能級(jí)匹配程度，有效地促進(jìn)了界面電荷傳輸，從而提高了該太陽能電池的開路電壓、填充因子和光電轉(zhuǎn)換效率。
基于相關(guān)發(fā)現(xiàn)，他們成功地實(shí)現(xiàn)了最高效率達(dá)21.1％且無遲滯的鈣鈦礦太陽能電池，并進(jìn)一步利用疏水導(dǎo)熱二維石墨烯材料對(duì)電池進(jìn)行封裝，相應(yīng)的電池器件可以在70%的濕度下穩(wěn)定工作超過300小時(shí)。
該研究在鄭南峰教授的指導(dǎo)下，主要由已畢業(yè)博士曹靖(現(xiàn)為蘭州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院青年研究員)在博士就讀期間完成。毛秉偉教授、吳炳輝副教授、碩士研究生陳睿豪等參與了部分工作。該研究得到了科技部和國家自然科學(xué)基金委的資助。
論文鏈接：
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201705596/full
通訊作者：
鄭南峰教授
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