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微电子学院范建东/李闻哲课题组在钙钛矿太阳电池器件研究取得重要进展

字体: 2021年09月23日 浏览量: 来源: 微电子学院 作者: 发布:新闻中心

近日,微电子学院范建东/李闻哲课题组在CsPbI2Br全无机钙钛矿太阳电池器件研究中取得重要进展,相关成果以《Chromium-Based Metal–Organic Framework as A-Site Cation in CsPbI2Br Perovskite Solar Cells》为题发表在 Advanced Functional Materials (IF=18.808)上。博士研究生袁松洋为论文第一作者,范建东研究员和李闻哲副研究员为通讯作者。

无机钙钛矿CsPbIxBr3-x(0≤x≤3)太阳能电池由于其出色的热稳定性而受到研究者的广泛关注,但是,它们较差的湿度稳定性阻碍了其进一步的商业化应用。鉴于此,我们首次通过引入铬金属有机框架化合物(Cr-MOF),设计并生长了基于此的二维结构钙钛矿材料。该材料通过[PbI6]4-八面体顶点相连,形成单层螺旋网状的无机层,Cr-MOF结构位于网格空位中与无机层交替排列,形成独特的2D钙钛矿结构。研究发现,通过将该材料与CsPbI2Br进行掺杂,可以实现多维度的电子耦合,Cr-MOF结构中金属Cr离子具有较低的晶体场分裂能,易于激发价电子离域,并通过配位体三联吡啶(TPy)的π-共轭结构,实现载流子的多向传输。铬金属有机框架钙钛矿掺杂后,可以与3D钙钛矿形成晶格匹配良好的异质结结构,差分电荷计算结果表明,铬金属有机框架钙钛矿可以有效提取3D钙钛矿中的电子,有利于钙钛矿本体和电池器件功能层间的电荷传输。

图1. Cr-MOF-CsPbI2Br钙钛矿电子结构示意图

同时,飞行时间二次离子质谱的测试结果表明,铬金属有机框架钙钛矿通过自组装的形式,聚集在钙钛矿层表面,有效抑制了水汽对钙钛矿层的侵蚀。与空白的CsPbI2Br钙钛矿电池器件相比,铬金属有机框架钙钛矿掺杂后,器件效率和稳定性得到了明显的提升,获得了17.02%的功率转化效率。同时,器件在相对湿度为30%的环境中,经过1000小时老化后仍保持 80% 的初始效率。这项研究为解决无机钙钛矿的稳定性挑战提供了新的范例。

图2. Cr-MOF-CsPbI2Br钙钛矿器件的光伏性能

该研究由国家自然科学基金项目 (51872126、22075103、51672111、51802120),广东省自然科学基金杰出青年项目(2019B151502030),广州市科技计划项目(202002030159),中央高校基础研究经费(21621112),珠江“青年拔尖人才”项目(2017GC010424),广东省海外创新团队项目(2016ZT06D081)共同资助。

(1)Chromium-Based Metal–Organic Framework as A-Site Cation in CsPbI2Br Perovskite Solar Cells. Adv. Funct. Mater. 2021, 2106233.

(文章链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202106233

(微电子学院)

责编:闫芳

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