具有更高稳定性和最小化铅泄漏的高效钙钛矿太阳能电池

虽然钙钛矿太阳能电池(PVSC)——太阳能电池的未来——的功率转换效率在过去十年中已经有了很大的提高，但不稳定和潜在的环境影响问题仍有待克服。最近，香港城市大学 (CityU) 的科学家开发了一种新方法，可以在不影响效率的情况下同时解决 PVSC 的铅泄漏和稳定性问题，为钙钛矿光伏技术的实际应用铺平了道路。

研究团队由城大教务长兼化学与材料科学讲座教授任冠岳教授、化学系徐正涛教授和朱宗龙博士共同领导。他们的研究成果最近发表在科学期刊《自然纳米技术》上，题为“用于稳定钙钛矿太阳能电池的二维金属有机框架，铅泄漏最小化”。

目前，PVSC 的最高功率转换效率已与最先进的硅基太阳能电池相媲美。然而，所使用的钙钛矿含有铅成分，这引起了人们对潜在环境污染的担忧。“随着太阳能电池老化，铅物质会通过设备泄漏，例如通过雨水进入土壤，对环境构成毒性威胁，”PVSC 专家 Jen 教授解释说。“要将 PVSC 投入大规模商业用途，不仅需要高功率转换效率，还需要长期的设备稳定性和最小化环境影响。”

Jen教授和朱博士与擅长材料合成的徐教授合作，带领团队通过将二维(2D)金属有机框架(MOF)应用于PVSC来克服上述挑战。“我们是第一个同时制造具有最小铅泄漏、良好的长期稳定性和高功率转换效率的 PVSC 器件的团队，”Jen 教授总结了他们的研究突破。

多功能MOF层

金属有机框架 (MOF) 材料先前已被用作支架以模板钙钛矿的生长。科学家们还将它们用作添加剂或表面改性剂来钝化(以降低材料表面的反应性)钙钛矿的缺陷，以提高设备性能和稳定性。

然而，大多数 3D MOF 的电绝缘性非常好，载流子迁移率低，因此不适合用作电荷传输材料。

但是徐教授准备的MOFs就不一样了。它们是蜂窝状的 2D 结构，配备了许多作为关键功能的硫醇基团。它们具有合适的能级，使它们成为电子提取层(也称为“电子收集层”)，其中电子最终被 PVSC 的电极收集。“我们的分子工程 MOF 具有多功能半导体的特性，可用于提高电荷提取效率，”徐教授解释说。

捕获铅离子以防止污染

更重要的是，MOF 中硫醇和二硫化物基团的密集阵列可以在钙钛矿-电极界面处“捕获”重金属离子，以减轻铅泄漏。

“我们的实验表明，用作 PVSC 设备外层的 MOF 捕获了 80% 以上从降解钙钛矿中泄漏的铅离子，并形成了不会污染土壤的水不溶性复合物，”Jen 教授解释说。与其他研究中用于减少铅泄漏的物理封装方法不同，发现器件中集成的 MOF 组件对铅的这种原位化学吸附对于长期实际应用更有效和可持续。

实现长期运行稳定性

此外，这种 MOF 材料可以保护钙钛矿免受水分和氧气的影响，同时保持高效率。

他们用 MOF 修饰的 PVSC 器件的功率转换效率可以达到 22.02%，填充因子为 81.28%，开路电压为 1.20 V。记录的转换效率和开路电压均是报告的最高值之​​一。平面倒置 PVSC。同时，该器件在相对湿度为 75% 的周围环境中表现出卓越的稳定性，在 1,100 小时后仍保持其初始效率的 90%。相比之下，没有 MOF 的 PVSC 的功率转换效率显着下降到其原始值的 50% 以下。

此外，他们的设备在 85°C 下连续光照射 1,000 小时后仍保持其初始效率的 92%。“这种稳定性水平已经达到国际电工委员会 (IEC) 制定的商业化标准，”朱博士说。

“这是一个非常重要的结果，证明我们的 MOF 方法在技术上是可行的，并且具有将 PVSC 技术商业化的潜力，”Jen 教授补充道。

用于清洁能源应用的高效 PVSC

该团队花了将近两年的时间才完成了这项有前途的研究。他们下一步将进一步提高电源转换效率，并探索降低生产成本的方法。

“我们希望在未来，这种类型的 PVSC 的制造就像‘打印’报纸一样，可以轻松扩大生产规模，促进高效 PVSC 在清洁能源应用中的大规模部署，”Jen 教授总结道。

任教授、徐教授和朱博士为论文的通讯作者。该论文的第一作者是城大博士生吴胜凡。城大研究团队的其他成员包括李真、李慕青、刁映雪、林志远、刘甜甜、张杰和齐峰。此次合作还包括来自西安交通大学、华盛顿大学和加州大学欧文分校的研究人员。

该研究获得多项资助，包括城大、香港研究资助局、广东省基础及应用基础研究重大项目及国家科学基金。