钙钛矿基太阳能光伏材料的新材料设计

  光伏领域目前已商业化的高效太阳能电池所采用的吸光材料,如硅、砷化镓、碲化镉和铜铟镓硒等,都具有四面体构型的金刚石结构及其衍生结构(如闪锌矿和黄铜矿结构)。实验室内光电转换效率超过20%的电池所采用的吸光层在三年前也完全来自于金刚石结构材料家族。钙钛矿光伏材料的出现打破了这一垄断格局,基于有机-无机杂化钙钛矿的太阳能电池的光电转换效率从2009年的3.8%迅速跃升到目前被已被认证的22.7%,已与商业化光伏材料的效率相当。廉价的原材料和简单的制备工艺更使得钙钛矿材料在过去五年受到了前所未有地广泛关注。目前,该材料商业化之前的“最后一公里”面临着来自材料稳定性和毒性所带来的巨大挑战,大量的研究工作致力于解决这两大关键问题。一方面的努力以CH3NH3PbI3这一基体材料为基础通过掺杂或合金等手段改善其稳定性或部分消除毒性;另一方面,大量的研究工作从钙钛矿这一晶体结构出发,试图发现该类材料优越光伏性质背后的“材料基因”,进而通过材料设计发现新型的钙钛矿光伏材料,最终建立一个类似金刚石结构的新光伏材料家族。   

 

  近日,吉林大学张立军教授课题组与中科院上海硅酸盐所孙宜阳研究员合作,对目前新型钙钛矿太阳能光伏材料的新材料设计研究进展进行了总结概述,在Small Methods上发表了题为“Perovskite Solar Absorbers: Materials by Design”的综述论文(https://doi.org/10.1002/smtd.201700316)。基于含铅有机-无机杂化钙钛矿太阳能光伏材料面临的两大问题:稳定性和毒性,系统总结了新材料设计的理论思路、工作进展及相关实验研究,并对该领域的未来发展进行了展望。文章系统地概述了各类钙钛矿光伏材料的新材料设计研究进展,涵盖卤化物钙钛矿材料【包括单/双钙钛矿(AMX3/AMM’X6)、二维钙钛矿(A2’An-1MnX3n+1)、类钙钛矿(AmMnXk, (mnk)=329,127,114…)】,以及新型的硫化物钙钛矿和传统的铁电氧化物钙钛矿光伏材料。期待该综述工作能够有助于钙钛矿光伏材料领域的研究者更好地梳理研究现状,发现潜在科学问题,从中受到启发,加快这一具有优异性能的光伏材料家族的新材料开发。

  该综述论文发表于 Small Methods(DOI: 10.1002/smtd.201700316)。吉林大学的徐巧玲博士和杨东问博士为论文的共同第一作者,中科院上海硅酸盐所孙宜阳研究员与吉林大学张立军教授为论文的共同通讯作者。

 

    来源:中国材料网http://www.matinfo.com.cn/mat2005/shangcheng/dongtai_nr.asp?id=83331

 

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中国科学院上海硅酸盐研究所

中国科学院上海硅酸盐研究所主要研究领域涵盖了人工晶体、高性能结构与功能陶瓷、特种玻璃、无机涂层、生物环境材料、能源材料、复合材料及先进无机材料性能检测与表征等。

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