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北京同步辐射装置用户在提升钙钛矿太阳能电池稳定性方面取得重要研究进展
2022-11-24|文章来源:多学科中心 |【
 

  日前,由北京理工大学材料学院陈棋教授领导的科研团队,与中国科学院高能物理研究所等单位合作,创新性地揭示了钙钛矿薄膜材料初始均一性对薄膜及器件稳定性的影响,相关研究工作以“Initializing Film Homogeneity to Retard Phase Segregation for Stable Perovskite Solar Cells”为题发表于11月18日Science杂志(Science 2022, 378, 747–754)。

  近年来,基于有机——无机杂化钙钛矿的光电太阳能电池器件的研究取得了飞速的发展,但是器件稳定性仍是其产业化成败的关键。陈棋教授团队发展了可用于模拟钙钛矿中离子迁移聚集行为的谢林模型,发现初始薄膜均一性的提升将显著减缓器件老化速率(图1)。以此为指导,研究人员通过在钙钛矿前驱体溶液中引入弱配位的添加剂硒酚,有效调控了溶液胶体环境,提升了薄膜均一性,并且在热、光老化条件下,表现了良好的稳定性,从而有效阻碍了阳离子聚集和物相分离。相关结论适用于混合阳阴离子体系,为提高钙钛矿材料与光伏器件的稳定性提供了新的思路。

  从实验上探测添加剂中阳阴离子(如硒酚)与钙钛矿的相互作用是验证上述谢林模型的关键。同步辐射X射线吸收精细结构谱学(XAFS)是表征材料局域结构的重要手段,但是在高亮度X射线照射下,钙钛矿太阳能电池材料会出现较大的辐射损伤效应,使常规XAFS实验面临挑战。因此,北京同步辐射装置的张静研究团队提出利用已发展的快速扫描QXAFS实验技术(时间分辨~s)来监测出现辐射损伤效应的极限时间,以此为阈值来优化实验条件,实现了对钙钛矿太阳能薄膜电池中关键元素近邻结构的精准探测,从而揭示了高稳定性的结构来源(图2)。

  值得强调的是该工作的同步辐射数据获取是在加速器和同步辐射两个部门之间紧密配合下完成的。考虑到用户实验的重要性及数据获取紧迫性,经BEPC II运行会协调,加速器中心和同步辐射联动合作,利用高能物理对撞取数的机器研究时间快速切换运行模式,在1W1B-XAFS线站完成了同步辐射测试,为从原子层面理解太阳能电池材料的高稳定性机理提供了重要实验依据。

  原文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn3148

  

  图1. 钙钛矿薄膜相分离的理论计算和钙钛矿薄膜老化过程的谢林模型模拟。

  

  图2. 利用X射线吸收谱研究添加剂中阳阴离子(如硒酚)对钙钛矿薄膜均一性的增强作用


 
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