柔性超薄準(zhǔn)二維鈣鈦礦太陽能電池實(shí)現(xiàn)高比功率和高穩(wěn)定性

混合有機(jī)-無機(jī)鹵化物鈣鈦礦由于具有高吸收系數(shù)、高功率轉(zhuǎn)換效率等特點(diǎn)，可以用來制造輕質(zhì)、超薄和柔性太陽能電池，解決從地面到太空的各種應(yīng)用的能源自主問題，使設(shè)備可在遠(yuǎn)程和不可預(yù)測的環(huán)境中連續(xù)和無監(jiān)督運(yùn)行。然而穩(wěn)定性問題阻礙了鈣鈦礦太陽能電池(PSC)的商業(yè)化應(yīng)用，此外在追求超輕量化和柔性PSC時，超薄基板的高水分和氧氣透過率會導(dǎo)致穩(wěn)定性下降。

奧地利約翰開普勒大學(xué)Martin Kaltenbrunner研究團(tuán)隊(duì)將高穩(wěn)定性的二維鈣鈦礦和高功率轉(zhuǎn)換效率的三維鈣鈦礦相結(jié)合，制備了一種準(zhǔn)二維PSC，同時具有高穩(wěn)定性、高功率密度和超輕薄的特性。通過納米非晶氧化鋁保護(hù)涂層的引入改善了氣體和水蒸氣阻隔性能，且不影響襯底的光學(xué)性能。最終制備的PSC平均重量約為4.5±0.2 g·m?2，功率轉(zhuǎn)換效率高達(dá)20.1%，功率密度為44 W·g?1(平均18.1%和41 W·g?1)。在連續(xù)工作1000小時后，太陽能電池的功率轉(zhuǎn)換效率保持在97%以上。將PSC反復(fù)壓縮-松弛100次循環(huán)后，PCE保持在99%以上。研究人員首先將甲基芐基銨(MBA)引入準(zhǔn)二維鹵化鉛PSC的光活性層中，以MBA2(Cs0.12MA0.88)6Pb7I22的結(jié)構(gòu)作為鈣鈦礦薄膜中的大塊有機(jī)陽離子添加劑，以鈍化缺陷并降低陷阱密度。并通過不同的陽離子添加劑制作了不同的PSC作為對比，掃描電鏡與涂層玻璃襯底上薄膜的X射線衍射圖分析表明，MBA的加入增加了晶粒尺寸，改善了整體膜質(zhì)量，銫的摻入導(dǎo)致立方相形成、晶體應(yīng)變和優(yōu)先晶格平面變化，進(jìn)一步增強(qiáng)了這一點(diǎn)。研究者對不同PSC的時間分辨光致發(fā)光衰減曲線、電致發(fā)光量子效率(ELQE)以及強(qiáng)度調(diào)制光電壓譜(IMVS)測量發(fā)現(xiàn)，MBA2(Cs0.12MA0.88)6Pb7I22基太陽能電池表現(xiàn)出最高的開路電壓以及使用壽命。隨后通過一系列環(huán)境和機(jī)械耐久性測試來檢查PSC的穩(wěn)定性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)MBA2(Cs0.12MA0.88)6Pb7I22可以有效地阻止鈣鈦礦晶格中的有機(jī)陽離子解離以及揮發(fā)性離子升華，進(jìn)而表現(xiàn)出優(yōu)異的光熱穩(wěn)定性，在連續(xù)工作1000小時后，電池的功率轉(zhuǎn)換效率仍能保持97%以上。之后在基底上應(yīng)用了100納米厚的非晶AlOx層，以阻擋大氣中的氧氣和水分，進(jìn)一步提升了電池的穩(wěn)定性。通過以上方法制備的柔性PSC比傳統(tǒng)剛性太陽能電池薄900倍，并且經(jīng)過100次壓縮、拉伸循環(huán)后仍能保持99%以上的初始光伏性能。最終研究人員建立了一個24平方厘米的準(zhǔn)二維超輕型PSC基輕型能量收集模塊，該模塊可為微型無人機(jī)提供動力，能夠提供約250兆瓦的能量，并且質(zhì)量僅為無人機(jī)總質(zhì)量的1/400。

圖1 混合動力太陽能四旋翼飛行器的設(shè)計與特性分析

該研究報道了一種超輕薄的準(zhǔn)二維鈣鈦礦太陽能電池，該器件可直接在超薄、高阻隔的非晶鋁涂層聚合物襯底上制造，從而用于能源自主無人機(jī)。該P(yáng)SC以α-甲基芐基碘化銨(MBAI)作為關(guān)鍵的大型有機(jī)陽離子添加劑，具有出色的開路電壓，功率轉(zhuǎn)換效率高達(dá)20.1%，功率密度為44 W·g?1(平均18.1%和41 W·g?1)，并且具有優(yōu)異的環(huán)境穩(wěn)定性和機(jī)械彈性。進(jìn)一步使用24個單獨(dú)的超輕型PSC組裝成超輕型能量收集模塊，并用于無人機(jī)，使得四軸飛行器在飛行-充電-飛行循環(huán)中實(shí)現(xiàn)能量自主操作，無需有線充電即可延長飛行時間。該研究制備的太陽能電池將直接有利于執(zhí)行監(jiān)視、偵察、搜索和救援、大規(guī)模測繪、空間太陽能發(fā)電或太陽系探索等任務(wù)的自主系統(tǒng)的運(yùn)行。相關(guān)研究成果發(fā)表于《Nature Energy》。