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光学工程
具有防水和自修复功能的聚合物骨架钙钛矿太阳能电池

最近,有机无机杂化钙钛矿型太阳能电池由于高吸收系数、平衡的电子空穴迁移率、极高的量子发光效率等一系列特点使得此类电池的光电转化效率在短短5年之内超过了20%。但是此类电池在潮湿环境下易发生水解,使电池失效,电池的长期稳定性成为困扰其商业化的瓶颈和难点所在。

近期,北京大学物理学院的赵清副教授等设计了一种钙钛矿电池的新结构,将吸湿性PEG分子作为聚合物骨架引入到钙钛矿材料吸光层中,长链PEG分子构成的三维网络使钙钛矿材料成膜质量显著提高,电池光电转化效率和重复性得到显著提高,最高效率可达16%。

该种电池在100℃下用一步法即可制备完成,方法简单易行,易于推广。由于PEG分子的超强吸湿性,聚合物骨架钙钛矿电池在湿度环境下的稳定性得到显著提升:没有任何封装的电池器件在异常潮湿环境中(70%相对湿度)展现出超过300小时的稳定性。不仅如此,聚合物骨架钙钛矿电池展现出神奇的“自修复”功能:在钙钛矿材料和电池被水解破坏后,1分钟内可迅速自修复回到原来的电池状态和电池效率。研究表明,由于PEG与钙钛矿材料中的甲胺离子具有很强的相互作用,使水解后的碘化铅与甲胺碘可原位再次生成钙钛矿材料,展现出电池材料和效率均可“自修复”的功能。这种新型聚合物骨架结构使钙钛矿电池对水破坏性和潮湿环境的耐受度大大增强,极大提高了电池在湿度环境下的稳定性,解决了钙钛矿电池害怕水汽和电池效率在潮湿环境下会迅速减退的应用难题,为今后钙钛矿电池商业化提供了一条新思路,具有重要的科学意义和应用价值。

图1 聚合物骨架钙钛矿太阳能电池结构示意图;图2 电池光伏性能的自修复I-V曲线;图3 钙钛矿薄膜在被水汽破坏后一分钟内的自修复展示照片,薄膜回复到初始状态。


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