有利于减轻航天飞行看重量西工大年夜团队打造高质量锡基钙钛矿电池

图 | 王昆（来源：王昆）

太阳能电池和新型卤化物钙钛矿，是王昆的个中两个研究方向。
几年前，她从德国慕尼黑工业大学博士毕业之后，返国加入西工大任教。

前不久，她和互助者成功提高了钙钛矿电池的界面性子以及钙钛矿薄膜质量，这不仅有助于载流子的传输与提取，同时还能抑制二价锡的氧化，也能进一步降落自掺杂引起的锡空位毛病。

此外，在不影响结晶取向的同时，王昆等人还对钙钛矿电池的维度分布加以调控，借此可以降落低维构造的含量，从而提升载流子的传输性能。

终极，该事情为办理锡基钙钛矿太阳能电池的毛病多、二价锡易氧化、载流子界面传输不利等问题供应了可行路子。

（来源：Small Methods）

就运用前景来说：

在航空航天领域中，比较于传统硅电池，钙钛矿太阳能电池具有轻薄的上风，有利于减轻翱翔器的重量。

在日常生产生活中，钙钛矿太阳能电池有望降落制造本钱与能耗。
详细来说，凭借其轻便、柔性的特点，可将其用于车棚中的汽车充电、以及建筑外墙和屋顶等室外光伏建筑一体化的构筑，从而避免输电线传输过程中的能量丢失。

同时，锡基钙钛矿太阳能电池在室内光伏方面也具有非常广阔的运用前景，比如可以将室内冗余的光能转换为电能。

此外，由于锡基钙钛矿太阳能电池不含重金属铅，故能将其直接置于衣服和背包之内，借此来给电子产品进行充电。

就研究方法来说，该团队利用同时含有咪唑和羧基的有机氯盐，对锡基钙钛矿埋底界面进行润色。
通过 C=O 和 N-H 基团与锡基钙钛矿的相互浸染，从而让界面毛病得到显著降落，同时还能影响锡基钙钛矿的结晶过程，进而得到致密均匀的钙钛矿薄膜。

详细来说，课题组在对反式锡基钙钛矿电池中的空穴传输层以及钙钛矿界面改性之后，在降落界面粗糙度的同时，也让锡基钙钛矿薄膜的质量得以提升，借此让维度分布得到调控，进而让二价锡氧化得到抑制，以及让毛病密度得以降落，由此让电池效率得到显著提升，终极为实现高效率的锡基钙钛矿光伏器件供应了一种可行路子。

（来源：Small Methods）

日前，干系论文以《多功能埋底界面改性实现高效锡基钙钛矿太阳能电池》（Multifunctional Buried Interface Modification Enables Efficient Tin Perovskite Solar Cells）为题发在 Small Methods（IF 12.4）。
西北工业大学博士生陈雅利是第一作者，西北工业大学王昆副教授、佟宇教授和王洪强教授担当共同通讯作者 [1]。

图 | 干系论文（来源：Small Methods）

对付开展本次课题的来龙去脉，王昆表示近年来凭借质料廉价易得、制备工艺大略、性能精良等优点，金属卤化物钙钛矿太阳能电池成为发展高效率、低本钱光伏技能以及实现双碳目标的主要支撑。

自 2009 年以来，该类电池的光电转换效率突飞年夜进，目前已打破 26%，成为新型薄膜太阳能电池中的一匹“黑马”。

然而，对付这些效率较高的钙钛矿太阳能电池来说，它们普遍利用重金属铅，会对自然环境和人类康健造成巨大危害，也给它的大规模运用带来寻衅。

比较于利用封装方法来降落铅的透露，利用其他金属来替代铅，可以从根本上避免铅的利用。

个中，锡与铅是同族元素，它们具有相似的壳层电子构造。
而且，比较于铅基钙钛矿，锡基钙钛矿具有更为得当的带隙、较小的激子结合能、以及较高的载流子迁移率等优点，能助力于打造环境友好型的钙钛矿太阳能电池。

经由近几年的发展，锡基钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已经打破 14%。

不过，和铅基钙钛矿比较依旧相差甚远，紧张瓶颈成分在于锡基钙钛矿电池存在二价锡易氧化、毛病多、载流子界面传输不利等问题。

为办理这些问题，学界曾考试测验过各种策略包括添加剂工程、组分工程、界面工程等。
然而，多数研究均聚焦于钙钛矿活性层的设计、以及上表面的优化处理。
作为器件构造优化的主要一环，埋底界面却很少得到研究。

事实上，对埋底界面进行润色，不仅能降落界面毛病和改进载流子转移，而且由于其表面性子会发生改变，故会对钙钛矿结晶过程带来显著影响。

基于此，王昆和互助者开展了本次研究。
由于锡基钙钛矿太阳能电池的环境稳定性较差，很随意马虎被氧化，而且随意马虎受得手套箱的氛围影响，这导致其器件效率和重复性都比较差。

通过不断摸索，该团队创造比较于纯三维构造，二维/三维异质构造具有较好的可重复性。

随后，他们在二维/三维异质构造中引入短链胺盐添加剂，让锡基钙钛矿薄膜的质量得到有效改进，并让能级匹配度得以提高，从而降落了锡基钙钛矿薄膜内部及其与传输层界面的非辐射复合能量丢失，器件的开路电压和光电转化效率也得到大幅增长。

此外，得益于相对得当的禁带宽度，锡基钙钛矿具有较高的理论电流。
然而，课题组创造二维/三维构造的锡基钙钛矿电池，其短路电流与理论值相差较大。
个中一个主要缘故原由在于，对付低维构造、以及表面有机配体来说，它们的导电性相对较差。

那么，如果调控锡基钙钛矿薄膜中的维度分布，就能在保护其不受氛围影响的同时，减少二维相的含量，从而有效提升它的短路电流。

通过查阅文献以及不断考试测验，该团队创造当利用同时含有咪唑和羧基的有机氯盐，对锡基钙钛矿埋底界面进行润色时，可对其结晶过程进行调控，从而降落低维构造的含量。

这时，界面毛病以及二价锡氧化也能得到抑制，而这不仅能改进载流子的传输和提取，也能显著提升电流和效率。

不过，手套箱氛围这一难题也曾让他们备受困扰。
一开始，实验结果总是时好时坏，有时乃至根本无法形成黑相锡基钙钛矿薄膜。

为找出问题所在，他们试遍了各种方法，包括利用新药品、改变溶液配比、利用其他反溶剂、洗濯手套箱等。
永劫光的摸索之后，课题组创造锡基钙钛矿对手套箱的氛围哀求极高，不仅要常常洗濯、常常再生，还要掌握温度、氧气、水、溶剂氛围等参数和条件。

王昆表示：“通过不断的摸索，我们逐步提升了锡基钙钛矿太阳能电池的效率和可重复性，这让我们更加深刻认识到实践出真知。
”

但是，锡基钙钛矿太阳能电池的光电转换效率与铅基依旧相差甚远，该团队希望通过添加剂和界面工程，来降落锡基钙钛矿太阳能电池对付环境氛围的敏感性，从而制备出更加高效可靠的锡基钙钛矿光伏器件。

（来源：Small Methods）

王昆说：“在目前的根本之上，我们已经在实验设备和职员方面增加投入。
未来我们操持对锡基钙钛矿太阳能电池中的各个功能层以及各层之间的界面进行全面优化，希望可以提高锡基钙钛矿太阳能电池的效率。
”

此外，对付实际运用而言，器件的稳定性也是尤为关键的成分。
因此，他们也将关注锡基钙钛矿光伏器件在不同条件下的衰减过程，并对其衰减机理进行阐释，从而提出相应的策略来提高器件的稳定性。

“目前我们已经得到国家、省部、市级及校级等各种基金项目的支持，能够确保科研的顺利履行。

在互换互助方面，我们已与国内外多所科研院所建立互助，同时也积极寻求其他互助渠道，希望可以推动锡基钙钛矿太阳能电池的发展，也欢迎有干系背景和对钙钛矿光伏器件感兴趣的同学积极报考研究生。
”王昆表示。

看得出来，王昆对付未来的奇迹充满信心。
而当初也正是由于这份信心，让她选择了返国发展。

王昆说道，为了实现“双碳”目标，国家大力支持发展太阳能电池家当，尤其对付钙钛矿太阳能电池投入颇多，在海内政策的导向之下，呈现出不少机遇。

同时，海内多家高校院所和企业都在钙钛矿太阳能电池方面持续发力，建立了良好的研究平台。

其还表示，自己目前所在的西工大是“国防七子”之一，具有强大的军工背景，且形成了以三航（航空、航天、航海）学科群为引领，一系列学科群折衷发展的学科体系，同时也能为光伏电池供应更多的军用和民用等运用处景。

“我选择返国发展便是希望能借助海内光伏行业的发展政策以及良好的平台进一步提升自己，并为中国光伏行业的发展做出自己的贡献。
”王昆表示。

参考资料：

1.Chen, Y., Qi, H., Wang, K., Kang, Z., Pan, G., Everett, C. R., ... & Wang, H. (2023). Multifunctional Buried Interface Modification Enables Efficient Tin Perovskite Solar Cells.Small Methods, 2300029.