作者:薛丁江等 来源:《国家科学评论》 发布时间:2021/6/11 13:54:17
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综述:钙钛矿太阳能电池中的应力来源、影响及调控

近日,中国科学院化学研究所薛丁江研究员、林原研究员与胡劲松研究员在《国家科学评论》(National Science Review, NSR)发表综述文章,深入分析了钙钛矿太阳能电池中的应力来源,系统总结了应力对钙钛矿物性及电池性能的影响,梳理了钙钛矿电池器件中的应力调控策略。中国科学院化学研究所博士研究生吴劲澎与刘顺畅为共同第一作者。

钙钛矿太阳能电池的光电转换效率提升十分迅猛,目前单结电池最高效率已达25.5%,媲美单晶硅太阳能电池。但是,钙钛矿材料对外界条件如湿度、热、光照的敏感性仍然是阻碍其商业化的重要原因。新兴的各类封装技术虽极大地提高了钙钛矿太阳能电池的工作寿命,然而该类技术仅仅是将工作原件与外界环境物理隔离,并不能有效解决钙钛矿的本征不稳定问题,如热、光照条件下因离子迁移导致的材料降解。

在造成钙钛矿本征不稳定的众多因素中,钙钛矿材料中的应力是重要原因之一。在这篇综述中,作者首先分析总结了钙钛矿材料中的两大类应力来源:(1) 因离子尺寸不匹配、离子分布不均匀造成的晶格内应力;(2) 因钙钛矿与基底材料晶格、热膨胀系数不匹配造成的外应力。同时梳理了钙钛矿中应力的表征手段,主要包括有:面内及面外X射线衍射(XRD),掠入射XRD,拉曼光谱,电子背散射衍射(EBSD),高分辨透射电子显微镜等。

随后,作者介绍了应力对钙钛矿物性的影响,主要包括拉伸和压缩应力对钙钛矿电子结构、电学性质、缺陷性质、离子迁移及稳定性的影响。具体而言,拉伸应力一方面降低了钙钛矿材料中卤素空位缺陷的形成能,另一方面降低了离子迁移的活化能,从而加速了钙钛矿的降解。

针对上述引起钙钛矿本征不稳定性的应力,作者对目前已报道的应力调控手段进行了总结。具体包括:通过替换不同尺寸大小的离子来释放晶格内应力,通过薄膜上表面退火工艺消除离子分布不均匀造成的晶格内应力,通过降低钙钛矿薄膜退火温度避免拉伸热应力的形成,通过选用高热膨胀系数的接触层抵消残留的拉伸热应力。

最后,作者对钙钛矿太阳能电池的应力调控工程这一领域存在的机遇与挑战进行了展望,为进一步通过应力提高钙钛矿太阳能电池的稳定性带来新思路。此项工作得到国家自然科学基金委与中国科学院青年创新促进会的支持。(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1093/nsr/nwab047

 
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