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为钙钛矿太阳能电池开出“新药方”!西湖大学王睿团队再获突破
学术研究
王睿实验室 2024年02月12日
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公共事务部
一个平常的下午,西湖大学“编辑部”的邮箱里弹出了一封邮件——

“来了个A类科研成果。”

“谁啊?”

“王睿。”

“又是王睿?”众人异口同声。

王睿,一位自2021年4月正式加入西湖大学工学院以来,就在编辑们耳边高频出现的PI。不仅仅是我们,关注西湖成长的每一个人,都可能会觉得这个名字“很熟”、“好像在哪里见过”。

就在一个多月以前,阿里巴巴达摩院公布了2023年“青橙奖”获奖名单。王睿,是西湖大学入选本次名单的两位青年学者之一(另一位是生命科学学院PI刘晓东)。

把日历再往前翻翻。2022年夏,《麻省理工科技评论》公布了当年的Innovators Under 35(全球“35 岁以下科技创新 35 人”),时年29岁的博导王睿入选。2021年秋,福布斯中国发布了这一年的30 Under 30榜单,在科学和医疗健康30人名单里,也出现了一个叫王睿的名字……

在西湖校内,还有很多师生曾听过“一杯咖啡激发科研灵感”的故事。这个故事的主人公,也是王睿。

2018年,在加州大学洛杉矶分校攻读博士学位期间,他突发奇想地把喜爱的咖啡加入到钙钛矿太阳能电池中,“咖啡可以让人们情绪稳定,那么能不能让钙钛矿的‘情绪’也变得更稳定呢?”然后,他们果然发现电池的输出功率大大提高了,这一成果也发表在《焦耳》上。

从美国加州走向中国杭州,今年,王睿带领西湖大学的实验室团队,在钙钛矿太阳能电池的性能方面续写突破。

北京时间2月12日晚,西湖大学工学院王睿实验室最新成果,强π-共轭型路易斯碱钝化剂重度钝化钙钛矿表面、用于长久稳定基于spiro-OMeTAD的正式器件,以“Enhanced passivation durability in perovskite solar cells via concentration-independent passivators”为题在线发表于《焦耳》。该研究通过设计分子共轭面积,增强分子间的π-π相互作用,以最大限度地抑制高浓度下钝化剂分子对钙钛矿晶格的侵蚀,同时最大程度地形成有序的π-π堆砌,保证界面电荷的顺利传输。

王睿实验室中的钙钛矿电池样品

简单来讲,他们发现了一种熟悉的“老分子”的“新性质”:作为钙钛矿电池的缺陷钝化剂,能在高浓度下使用、不会“损伤”电池性能;这样,随着器件运行时间的延长,储备的钝化剂分子能够继续“处理”电池运行后新产生的缺陷,从而提高器件的使用寿命。

原文链接:https://www.cell.com/joule/abstract/S2542-4351(24)00047-3


你可能想问,什么叫电池表面的缺陷?什么又叫钝化剂?

一切要从钙钛矿电池的“模样”说起。

近年来,我们多多少少会在新闻报道中见到过“明星材料”钙钛矿电池的身影。作为中国许多城市和乡村中随处可见的“蓝色屋顶”——硅太阳能电池——被寄予厚望的接班者,钙钛矿电池同样能够将光能转化为电能,并在实验室实现了单片小面积的光电转化率达到25%甚至更高,比肩硅太阳能电池四十年的发展速度。

图1 钙钛矿结构示意

这类电池的核心是钙钛矿分子,它有着独特的ABX3结构:A和B为阳离子,元素周期表中90%的金属元素都可以充当A或B;X是阴离子,由卤素元素(包括氟、氯、溴、碘等)担当。这些离子构成了一个八面体,也就是一个立方晶格,有点像一个独立的积木结构。当离子的元素成分不同时,这个“部件组合”会有不同的性能和效果。而无数的钙钛矿分子“聚拢”时,会构成更大的、规整的立体结构,就像无数的同形状的积木结构整齐堆叠在一起。这,就是钙钛矿电池“万变不离其宗”的“模样”。

完美的钙钛矿分子,应该拥有上述那样的八面体晶格结构,但现实里制备钙钛矿电池的过程中,经常会发生“缺失”,比如缺一个A离子、少一个B离子——这样的情况,被统称为缺陷。

有缺陷,肯定要克服,怎么办?靠“钝化”。所谓钝化,可以简化理解为让“缺失”的部位补上,或者是让这个缺失更难形成,机理主要是路易斯酸碱理论。目前研究中所使用的钝化剂,有很多类型,但无论是固体、液体或者气体的形态,都会被“滴”在钙钛矿薄膜表面。这个“补位”的过程,也就是缺陷钝化。所有的钙钛矿电池,都必须要历经这一步,才能“完美出厂”。

王睿实验室的这项最新研究成果,正与钙钛矿电池制备中这关键的一步相关。他们针对该过程中一个长期被人“忽视”的事实,提出了创新性的解决方案——

事实上,伴随着电池器件运行时间的延长,钙钛矿电池表面的缺陷“浓度”也会随之增加。也就是说,电池会产生“计划外”的缺陷——比如,放在在太阳光下照射,某些离子有可能会产生迁移;同时,使用时间长了,也可能会产生新的缺陷。大家都使用过电器,可以把这块电池想象为电器,“年久”了,总是容易“失修”。

目前,钝化剂浓度通常是针对新鲜制备的器件“设计”的。为了尽可能不损伤电池,浓度也被保持在一个尽可能低的数量级。但显然,初始低浓度的钝化剂无法持续钝化越来越多新产生的缺陷。原则上,如果起初使用高浓度的钝化剂,或许可以在后续新缺陷出现时对它们进行处理。但这一策略至今尚未取得成功,因为高浓度的钝化剂,往往对器件性能有害。

关于钙钛矿电池的这个事实,好似成了“房间里的大象”:人人都知道它存在,但没有理想的解决办法。

这一次,王睿实验室找到了突破口。

在使用一系列分子作为电池钝化剂的测试实验中,研究团队敏锐地察觉到了有一类分子,电池对它的浓度“不敏感”:具有最强π共轭的三联吡啶分子。

他们将这类分子作为钝化剂,并把分子的浓度提高到了常规使用浓度的20倍(即100 mM)。通过理论计算模拟、飞行时间二次离子质谱和掠入射X射线衍射的验证手段,他们“看到”,即便在高浓度的情形下,这类分子也可以有序地堆砌在钙钛矿表面,对钙钛矿的晶格破坏小,且其堆砌的方向,有利于界面电荷的提取和传输。

图2 基于不同π共轭结构Lewis base的钝化效果和光伏响应

回到积木的比拟,可以想象,高浓度的钝化剂分子,像另一种形态的“小积木”,虽然数量大,但“乖乖”地有序“斜铺”在“大积木”钙钛矿电池的顶端,不影响大积木的结构。同时,各块“小积木”之间的空间缝隙,又适合电荷“钻入”和“钻出”电池,不妨碍电池本身的效率。而这种分子,也可以完成钝化缺陷的本色使命,当“大积木”出现错误,它们能及时修正。这是不是很完美?

总之,三联吡啶分子的这种独特的特性,能在不降低电池器件性能的情况下,对钙钛矿进行高浓度钝化,从而大大提高了钝化效果的耐久性。因此,经三联吡啶钝化的钙钛矿器件,它的光电转换效率,对所使用的钝化剂浓度依赖小。

图3 提高钝化持久性实现高稳定钙钛矿器件

在钙钛矿太阳能电池界,“评优”的指标有两项:光电转换效率和器件稳定性。那么,王睿团队开发的使用了这种新型钝化剂的钙钛矿电池,成绩如何呢?

实验数据显示,经过三联吡啶处理的钙钛矿表面器件表现出高达25.24%的光电转换效率以及出色的器件稳定性,在一个太阳光照下运行2664小时后仍保持90%的初始效率。

这个成绩贴近但并未打破最高纪录——目前,最新报告的小面积器件光电转化效率的纪录是26%。但它更突出的价值,是引导业界关注钙钛矿电池钝化效果的持久性,照亮那只长期被忽视的“大象”;同时,三联吡啶分子作为钝化剂的思路,也为业界送出了一块探路的“砖”,将为更多科研人员继续设计浓度无敏感型的钝化剂提供指导。

我们不由追问,钙钛矿电池这么热门,为何无人关注电池使用过程中产生的新缺陷呢?三联吡啶分子属于业内人都知道可作为钝化剂的一种分子,但此前为何没有人尝试去提高它的浓度?

“我觉得大家只是无视了、没有太去想这个问题。我们其实有点反过来——在表征测试电池的实验中发现了‘器件运行一段时间后会产生新的缺陷’的现象;而此前分子实验中,我们曾了解到三联吡啶分子的特性。所以就动手那么做了。” 论文第一作者之一、西湖大学工学院助理研究员王思思回答。

看似无意的创新,归根结底来自于长年的积累。自入职西湖的那一天起,王睿团队就走在第三代太阳能电池研究的最前沿,立志创造属于中国自己的“追光”纪录!

本项研究的第一作者为西湖大学工学院助理研究员王思思,复旦大学博士后姚沧浪为共同第一作者。西湖大学工学院PI王睿、浙江大学研究员薛晶晶为共同通讯作者。劳伦斯伯克利实验室、加州大学洛杉矶分校、复旦大学为合作单位。

该工作受到了国家自然科学基金、浙江省自然科学基金、博士后面上基金,西湖大学未来产业研究中心、西湖大学物质科学和分子科学实验平台以及硅及先进半导体全国重点实验室开放课题的支持。

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