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【能源】氟化聚酰亞胺的新高值應(yīng)用：多重鈍化輔助量子隧穿實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定鈣鈦礦太陽電池

時(shí)間：2024-04-08 來源：瀏覽：

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近年來，鈣鈦礦太陽能電池取得了引人注目的進(jìn)展。僅僅經(jīng)過短短十余年的發(fā)展，其光電轉(zhuǎn)化效率從3.8%迅速增長(zhǎng)至目前的26.14%，使其成為備受矚目的高效太陽能電池之一。然而，相關(guān)研究指出，鈣鈦礦薄膜表面的陷阱態(tài)密度明顯高于體相，并且其化學(xué)計(jì)量比與體相內(nèi)部存在巨大差異，這導(dǎo)致了鈣鈦礦界面處的非輻射復(fù)合現(xiàn)象。因此，在鈣鈦礦太陽能電池領(lǐng)域，通過引入適當(dāng)?shù)慕缑鎸雍瓦x擇合適的界面材料對(duì)于提高器件的性能和穩(wěn)定性至關(guān)重要。迄今為止，有各種絕緣非共軛聚合物，如甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚丙烯腈（PAN）、聚苯乙烯（PS）、聚乙二醇（PEG）、聚乙烯亞胺（PEI）和聚乙烯醇（PVA），已被用于優(yōu)化鈣鈦礦晶界或鈣鈦礦與空穴傳輸層之間的界面接觸。然而，這些聚合物大多是通過自由基聚合獲得的，因此通常只具有有限的特定官能團(tuán)。與其他通過自由基聚合方法制備的非共軛聚合物相比，通過縮合聚合方法制備的聚酰亞胺能夠引入多樣的特征官能團(tuán)，這使得在分子結(jié)構(gòu)調(diào)控方面展現(xiàn)出更大的靈活性。

圖1. 基于氟化聚酰亞胺隧穿層助力高效穩(wěn)定鈣鈦礦太陽能電池研究的概述圖。

在此背景下， 中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所高鵬 研究員團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并合成了一種含有醚鍵和三氟甲基的新型氟化聚酰亞胺（FPI），命名為6FDA-6FAPB，并首次將其作為鈣鈦礦太陽能電池界面材料，以鈍化器件表面缺陷并提高其性能和穩(wěn)定性。

圖2. FPI共聚物的表征、FPI與Pb I ₂ 之間的相互作用的驗(yàn)證。

圖3. 理論計(jì)算輔助鈍化分析。

FPI中的醚鍵和酰亞胺基團(tuán)所含有的羰基都具有與鈣鈦礦中未配位的P b ²⁺ 配位的能力，同時(shí)，三氟甲基中的氟原子也可與 Pb ²⁺ 通過靜電吸引力而產(chǎn)生相互作用。這兩種相互作用的存在，有助于缺陷的鈍化和器件性能的提升。通過實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算相結(jié)合，對(duì)FPI的作用機(jī)制進(jìn)行了驗(yàn)證和解釋。

圖4. 絕緣FPI層的隧穿效應(yīng)。

接著，研究驗(yàn)證了引入薄絕緣FPI界面層不會(huì)阻礙鈣鈦礦與空穴傳輸層之間的載流子傳輸，這是由于隧穿效應(yīng)的存在。隧穿效應(yīng)能夠有效地阻止電子進(jìn)入空穴傳輸層，從而減少了非輻射復(fù)合的發(fā)生，進(jìn)一步提高了鈣鈦礦太陽能電池的性能與穩(wěn)定性。

圖5. 存在絕緣FPI層時(shí)的載流子動(dòng)力學(xué)。

此外，研究進(jìn)一步揭示了FPI存在的場(chǎng)鈍化效應(yīng)。由于FPI具有高功函數(shù)的特性，它能夠提高鈣鈦礦表面的功函數(shù)，使得鈣鈦礦的能級(jí)向上彎曲，從而顯著增強(qiáng)了載流子的傳輸，并同時(shí)抑制了界面處的電荷積累和復(fù)合。

圖6. 器件穩(wěn)定性。

因此，他們成功制備了光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)到了24.61%的鈣鈦礦太陽能電池，并且表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。這項(xiàng)研究的成功受益于硅電池和隧道氧化物鈍化接觸領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)，為提高鈣鈦礦太陽能電池的性能提供了新的思路和方法。

這一成果近期發(fā)表在 Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者是中國(guó)科學(xué)院福建物構(gòu)所碩士研究生 劉春明 。

原文（掃描或長(zhǎng)按二維碼，識(shí)別后直達(dá)原文頁面）：

Fluorinated Polyimide Tunneling Layer for Efficient and Stable Perovskite Photovoltaics

Chunming Liu, Wei Yu, Yuheng Li, Can Wang, Zilong Zhang, Chi Li, Lusheng Liang, Kangcheng Chen, Lin Liu, Tinghao Li, Xuteng Yu, Yao Wang, Peng Gao

Angew. Chem. Int. Ed ., 2024 , DOI: 10.1002/anie.202402904

高鵬研究員簡(jiǎn)介

高鵬，中國(guó)科學(xué)院福建物構(gòu)所研究員，博士生導(dǎo)師，國(guó)家高層次人才引進(jìn)計(jì)劃青年項(xiàng)目入選者。于2010年畢業(yè)于德國(guó)馬普高分子研究所并獲得化學(xué)博士學(xué)位。2011-2015年于洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院從事博士后工作，專注于近紅外吸收染料及雜化鈣鈦礦材料設(shè)計(jì)合成。2017年1月籌建先進(jìn)功能材料實(shí)驗(yàn)室（LAFM），擔(dān)任研究員和課題組長(zhǎng)，專注于用化學(xué)手段與稀土元素相結(jié)合制備新型半導(dǎo)體材料并應(yīng)用于能源轉(zhuǎn)換器件。持續(xù)獲得廈門市雙百人才計(jì)劃，福建省百人計(jì)劃，福建省引進(jìn)高層次人才B類等人才項(xiàng)目資助。累計(jì)發(fā)表SCI期刊原創(chuàng)性論文與綜述200多篇，受邀撰寫書章節(jié)6部。其中部分研究成果以第一/通訊作者身份發(fā)表在 J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、Joule、Nature Commun. 等權(quán)威期刊，多篇論文被選為期刊封面或熱點(diǎn)論文。截止目前根據(jù)google scholar統(tǒng)計(jì)，個(gè)人SCI H-index為75，文章總引用41000余次。2018年-2026年連續(xù)六年獲評(píng)Clarivate Analytics全球交叉學(xué)科領(lǐng)域“高被引科學(xué)家”。

實(shí)驗(yàn)室歡迎對(duì)科研有著濃厚興趣、勤奮踏實(shí)、有良好的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神的本科生、碩士生、博士生加入！就讀期間的課題包括但不限于鈣鈦礦電池，熱電器件，發(fā)光材料及理論計(jì)算，有儀器搭建經(jīng)驗(yàn)者優(yōu)先。課題組的信條是“探索未知，突破極限，藝術(shù)科學(xué)，止于至善”。

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