【重点摘要】
中國国家纳米科学中心丁黎明教授团队利用自然干燥法成功制备高效钙钛矿太阳能电池。
通过溶液互扩散制备组分梯度铅卤化物薄膜,高通量筛选适合自然干燥的组分。
优化后的铅卤化物锂离子电池效率达23.28%,打破自然干燥法效率纪录。
【研究背景】
铅卤化物是一类新型的光伏材料,具有潜在的低成本和高效率优势,被广泛应用于锂离子电池中。但铅卤化物材料往往需要通过快速干燥等特殊方法来获得良好的薄膜质量。如果能利用简单的自然干燥法制备高效的铅卤化物锂离子电池,将为其大规模低成本生产提供可能。但是自然干燥法制备的铅卤化物薄膜往往缺乏致密性,电池效率较低。如何实现自然干燥法制备高效铅卤化物锂离子电池,是当前研究的关键难点之一。
【研究成果】
中國国家纳米科学中心(Center for Excellence in Nanoscience (CAS))丁黎明教授团队最近在《低碳科技》杂志发表研究成果,利用自然干燥法成功制备出了效率达23.28%的铅卤化物锂离子电池。这一效率创下了自然干燥法制备铅卤化物电池的最高纪录。研究人员的关键突破在于利用溶液互扩散的方法制备出组分梯度的铅卤化物薄膜。这种梯度薄膜包含了两种铅卤化物组分间所有比例的连续变化。通过观察薄膜在不同组分位置的形貌,可以快速筛选出适合自然干燥的组分。最终,研究团队找到了CsPbI2Br、FA0.4Cs0.6PbI3等几种适合的组分。在此基础上,他们进一步优化了FA0.95Cs0.05PbI3的配方,加入PbI2和MACl等添加剂,大大改善了其自然干燥形成的薄膜性质。最终使其在室温自然干燥条件下制备出高效率的铅卤化物锂离子电池。(该研究成果已于2022年8月在《低碳科技》杂志发表)
【研究方法】
研究人员的溶液互扩散法制备组分梯度铅卤化物薄膜的具体步骤如下:先在基板上滴加两种不同组分的铅卤化物溶液,通过溶液的自发扩散使其合并成一个液滴,然后在室温下自然干燥。两种溶液的组分通过扩散形成浓度梯度,并在干燥后形成组分连续变化的梯度铅卤化物薄膜。这种梯度薄膜包含了两个组分间所有的比例,可以同时观察不同组分比例的薄膜形貌。根据薄膜形貌的致密性筛选出适合自然干燥的组分。此外,研究人员还通过在高温下干燥薄膜的方法,筛选出能在高温条件下形成致密薄膜的组分。最后,在筛选出的组分基础上,通过调整PbI2、MACl等添加剂的量,优化了FA0.95Cs0.05PbI3薄膜的自然干燥性能。
【测试方法】
本研究使用光焱科技(Enli Tech)太阳光模拟器作为光源。光强度(AM 1.5G,100 mW/cm2)使用NIM校准的硅参考电池(Enli SRC 2020,2 cm × 2 cm)进行校准。使用红外截止滤光片来校准光强度。J-V 和稳态PCE 是通过在手套箱中使用数码源表进行测量。
【结论】
本研究通过溶液互扩散法制备组分梯度铅卤化物薄膜,快速筛选出几种适合自然干燥的组分。研究人员优化了FA0.95Cs0.05PbI3的配方,使其自然干燥后的效率可达23.28%。该研究为大规模低成本制备铅卤化物太阳能电池提供了新思路。
