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【重點摘要:】

(1)周歡萍教授團隊利用淀粉-聚碘超分子作為緩沖層,顯著改善了鈣鈦礦太陽能電池的疲勞行為和循環穩定性。

(2)經修改的鈣鈦礦太陽能電池在連續42個日夜循環后,發電效率可保持在98%。

(3)該研究為如何利用超分子化學調控軟晶格材料的元穩定動力學提供了重要見解。

【研究背景】

由于鈣鈦礦太陽能電池具有軟體和離子晶格結構,它們極易受外部刺激的影響。在循環載荷的實際環境中,電池很容易出現明顯的疲勞。由于缺乏對材料降解的基本理解,目前還沒有有效的方法來減輕這種循環照明下的電池疲勞。

【研究結果】

研究人員在鈣鈦礦材料的界面引入了淀粉-聚碘超分子作為雙功能緩沖層,它既可以抑制離子遷移,也可以促進缺陷的自我修復。經修改的鈣鈦礦太陽能電池在連續42個日夜循環后,原始的光電轉換效率可保持在98%。這種電池也達到了24.3%的光電轉換效率(認證值為23.9%),并且具有強烈的電致發光,外量子效率高達12%以上。

【研究方法】

研究人員首先合成了淀粉-聚碘超分子材料,并將其作為緩沖層插入鈣鈦礦太陽能電池的載流子輸運層與光吸收層之間。他們從多個角度分析了緩沖層的影響,包括電化學測量、光致發光譜、小角入射X射線衍射、熱重分析等,以確認其雙功能機制。然后,他們制備了采用該緩沖層的鈣鈦礦太陽能電池,并通過42個日夜循環的加速老化試驗考察其循環穩定性和發電效能。結果證實,緩沖層明顯提高了電池在循環載荷下的穩定性。

【結論】

本研究通過在鈣鈦礦太陽能電池的界面引入淀粉-聚碘超分子緩沖層,顯著改善了電池的循環穩定性和疲勞行為,為實現鈣鈦礦太陽能電池的實際應用提供了有效途徑。該超分子緩沖層的雙功能機制也可應用于其他軟晶格材料的界面設計。研究結果對利用超分子化學手段調控軟晶格材料的元穩定性具有重要啟發意義。

a,含不同濃度淀粉-碘Starch-I的w/ Starch-I裝置的J-V曲線。b,開路電壓和填充因子隨Starch-I濃度的依賴性。c,作為LED操作時裝置的EL的EQE。d,EQEEL和開路電壓隨Starch-I濃度的依賴性。

含Starch-I的w/ Starch-I裝置(a)和參考裝置(b)的J-V曲線。

外量子效率(EQE)譜及合并的JSC為24.5 mA cm-2 457 的含Starch-I裝置。