近日，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校楊陽(yáng)課題組與中國(guó)西湖大學(xué)工學(xué)院王睿課題組以及韓國(guó)成均館大學(xué)Jin-Wook Lee課題組合作，就傳統(tǒng)提升鈣鈦礦電池光電轉(zhuǎn)換效率的表面處理策略所導(dǎo)致的能級(jí)不匹配問(wèn)題進(jìn)行了深入探索，并設(shè)計(jì)了全新的表面處理策略，實(shí)現(xiàn)了具有高光電轉(zhuǎn)換效率、長(zhǎng)期穩(wěn)定性的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。在經(jīng)過(guò)2000小時(shí)全天候加速光照測(cè)試后，鈣鈦礦電池仍然保持著超過(guò)87%的原始光電轉(zhuǎn)換效率，展現(xiàn)出其在未來(lái)光伏領(lǐng)域中的巨大潛力。該研究成果近日發(fā)表于《自然》。

基于鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的材料是近年來(lái)興起的新型太陽(yáng)能電池材料，其晶體結(jié)構(gòu)為ABX3，與傳統(tǒng)的鈦酸鈣(CaTiO3)結(jié)構(gòu)類(lèi)似，其中A位通常為一價(jià)有機(jī)或無(wú)機(jī)陽(yáng)離子、B位為二價(jià)金屬陽(yáng)離子、X位為鹵素陰離子。目前鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率從初始的3.8%提升到了目前的25.7%，已逼近硅太陽(yáng)能電池的實(shí)驗(yàn)室最高效率(26.7%)。然而其較差的工作穩(wěn)定性，依舊是制約其商業(yè)化的主要因素。

基于此，科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)意義上有效且簡(jiǎn)單的鈣鈦礦電池效率提升的策略——表面處理進(jìn)行深入探索，發(fā)現(xiàn)盡管表面處理材料中的有機(jī)陽(yáng)離子可以實(shí)現(xiàn)有效的表面缺陷鈍化，但被忽視的鹵素陰離子會(huì)導(dǎo)致表面電勢(shì)的改變，不利于電池的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。科研人員通過(guò)引入有機(jī)陰離子替換鹵素陰離子，減少了表面電勢(shì)的偏移，在實(shí)現(xiàn)了超過(guò)24.4%的光電轉(zhuǎn)換效率的同時(shí)，保持了超過(guò)2000小時(shí)的長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性。

總的來(lái)說(shuō)，盡管常規(guī)的表面鈍化具有增益效果，但可能會(huì)對(duì)鈣鈦礦表面電勢(shì)造成影響，從而對(duì)鈣鈦礦器件工作穩(wěn)定性產(chǎn)生副作用，限制了這些處理策略的進(jìn)一步發(fā)展?？蒲袌F(tuán)隊(duì)引入有機(jī)陰離子，可減弱其負(fù)面影響，從而實(shí)現(xiàn)最大化的穩(wěn)定性改進(jìn)。此外，有機(jī)陰離子的設(shè)計(jì)多樣性，為發(fā)展提升鈣鈦礦太陽(yáng)能電池穩(wěn)定性的更有效策略開(kāi)辟了新路徑。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-022-04604-5