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    我國學者在無機鈣鈦礦太陽能電池研究方面取得重要進展

    日期 2019-08-15   來源:化學科學部   作者:莊乾坤 張國俊 陳擁軍  【 】   【打印】   【關閉

    圖.(A)無機β-CsPbI3鈣鈦礦的1.68 eV帶隙的紫外可見吸收光譜;(B)精細結構解析GIWAXS圖譜確認純相β-CsPbI3鈣鈦礦;(C)基于裂紋填充界面工程方法的β-CsPbI3器件獲得18.3%認證效率

      在國家自然科學基金項目(批準號:21777096,51861145101)等資助下,上海交通大學趙一新教授團隊與瑞士聯邦洛桑理工學院Gr?tzel教授、日本沖繩理工大學戚亞冰教授、吉林大學張立軍教授、上海光源高興宇研究員等團隊開展合作研究,在全無機鈣鈦礦太陽能電池領域取得重要進展,獲得了兼具高穩定性和高效率的β相CsPbI3無機鈣鈦礦。經中國計量院認證,光電轉化效率高達18.3%,這是目前公開報道無機鈣鈦礦太陽能電池效率的最高記錄。研究成果以“Thermodynamically Stabilized β-CsPbI3-based Perovskite Solar Cells with Efficiencies >18%”(熱力學穩定的β-CsPbI3基鈣鈦礦太陽能電池效率逾18%)為題,于2019年8月9日發表在Science(《科學》)上。論文鏈接:https://science.sciencemag.org/content/365/6453/591。

      近年來,有機無機雜化鉛鹵鈣鈦礦太陽能電池效率獲得了快速提升,但其化學穩定性差、易分解,嚴重阻礙其商業化應用。相比之下,全無機CsPbI3鈣鈦礦具有優異的化學穩定性,即使耐受400攝氏度的高溫也不發生分解;另外,~1.7 eV帶隙的全無機CsPbI3鈣鈦礦與廣泛使用的~1.1 eV帶隙的晶硅可構建高效疊層太陽能電池。遺憾的是,全無機CsPbI3鈣鈦礦結構容忍因子過小,導致其體相穩定性差;同時由于I空位缺陷較多、界面能級匹配不理想,限制了器件效率的提升。趙一新在前期研究中證明了可以通過維度調控、有機陽離子表面端基化等方法擠壓Pb-I八面體提高容忍因子,從而獲得良好的相穩定性(Sci. Adv., 2017, 3, e1700841);通過Br梯度摻雜收縮Pb-I八面體提升容忍因子,進一步提高了CsPbI3鈣鈦礦的相穩定性,利用Br摻雜有效鈍化了I空位缺陷,獲得了17%的無機鈣鈦礦太陽能電池器件效率紀錄(J. Am. Chem. Soc.,2018, 140, 12345)。

      基于材料晶相的精準表征與理論計算,發現β相CsPbI3比γ相CsPbI3具有更加優異的相穩定性和光伏性能;在闡明額外的有機陽離子添加劑晶格不容納機制基礎上,趙一新與合作者利用有機陽離子誘導調控CsPbI3結晶動力學,合成出具有優異的本征體相穩定性和特定帶隙(1.68 eV)的β相CsPbI3鈣鈦礦;發展了裂紋填充界面工程方法,以β-CsPbI3薄膜中的裂紋構建了鈍化微通道,實現了β-CsPbI鈣鈦礦缺陷的全面鈍化,優化了β-CsPbI3鈣鈦礦層與電荷傳輸層之間的能級匹配,將光伏器件最關鍵的開路電壓和填充因子參數從1.01V和0.71分別提高至1.10 V和0.82,最終獲得了>18%的光電轉換效率。本工作對鈣鈦礦材料的結構研究、性能提升與實際應用均具有重要的指導意義。




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