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〔新华日报·交汇点〕一种阴阳离子修复两种“孔洞”,南工大新成果可修补钙钛矿“晶体大厦”

时间:2022-05-06 来源:新华日报·交汇点 作者:姜畔 摄影: 编辑:王小轩 上传:
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交汇点讯 能源短缺和环境污染是我国可持续发展面临的重大问题。利用太阳能发电有望改变我国能源结构,从根本上解决我国面临的环境问题。近期,南京工业大学先进材料研究院秦天石教授团队利用一种阴阳离子对材料,对钙钛矿“晶体大厦”的两种“孔洞”进行修复,多方面、全方位对钙钛矿材料进行缺陷钝化、改变化学性质,从而同时实现高效率和高稳定,其相关研究成果日前发表于《Matter》。

“在碳中和、碳达峰背景下,一种新型的钙钛矿太阳能电池问世,而提高钙钛矿材料及电池的环境稳定性对于实现钙钛矿太阳能电池商业化至关重要。” 秦天石介绍,钙钛矿太阳能电池具有较高的功率转换效率,堪与目前商业化的硅太阳能电池相媲美,由于其制作工艺简单更加经济环保,已成为全世界科学家研究的“宠儿”。然而,令研究者头疼的是,目前的钙钛矿太阳能电池依然对湿度、温度、光照等环境十分敏感,当钙钛矿太阳能电池暴露在这些环境中时极易发生降解,存在稳定性差等突出问题。

目前市场上的研究工作通常只针对钙钛矿材料的其中某个成分进行优化,或者对单个化学环境优化以实现效率和稳定性的同步提升。论文共同第一作者、副研究员王艾菲表示:“我们团队的这项研究成果,利用加入阴阳离子对的协同作用,多方面、全方位对钙钛矿材料进行缺陷钝化,改变化学性质从而实现高效率和高稳定性。”

“钙钛矿材料如同我们常见的食盐一样,是由阴离子与阳离子共同构成的一种晶体。”秦天石形象地介绍,在微观世界中,这一座“晶体大厦”存在着诸多缺陷孔洞,这就会让外界水汽通过孔洞进入“大厦”内部,随着存水量的不断增加,最终“大厦”将会倒塌;从宏观角度来说,这粒钙钛矿晶体会被分解破坏。因此,科学家研发出各种材料对这座“大厦”的缺陷进行修补,保护它不受外界水汽侵蚀。而如同阴阳离子共同构成晶体一样,钙钛矿“晶体大厦”也同时存在着阴离子缺陷和阳离子缺陷这两种“孔洞”,之前国际同行的工作仅对一种孔洞进行修补。运用一种阴阳离子对材料,同时对钙钛矿“晶体大厦”的两种“孔洞”进行修复。这样做出来的钙钛矿太阳能电池相比于之前报道的效率和稳定性都有大幅的提升。

博士研究生王俊淦介绍:“这项研究成果,在一个标准太阳光下可以实现超过23%的光电转换效率,非常接近(甚至超过)当前商用的硅太阳能电池效率。同时,该阴阳离子的协同作用构建两个防水隔离层,能有效提高钙钛矿太阳能电池的稳定性,从而延长电池的工作时长,在连续光照下实现超过1000小时的环境稳定性。”

“通过这项研究,一个策略同时解决多个钙钛矿太阳能电池的痛点,也为我们尝试制备更大面积的太阳能电池增加了信心,为实现钙钛矿太阳能电池商业化做准备。” 秦天石教授评价道。

据悉,该工作得到了国家自然科学基金面上项目、江苏省自然科学基金面上项目的支持。

通讯员 姜畔

新华日报·交汇点记者 谢诗涵

2022年5月5日《新华日报·交汇点》:https://jnews.xhby.net/v3/waparticles/7fda002d5708436da67a57947ffc4b06/0/QltzbHq5Kt6FYVQu/1