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光學工程
具有防水和自修復功能的聚合物骨架鈣鈦礦太陽能電池

最近,有機無機雜化鈣鈦礦型太陽能電池由于高吸收系數、平衡的電子空穴遷移率、極高的量子發光效率等一系列特點使得此類電池的光電轉化效率在短短5年之內超過了20%。但是此類電池在潮濕環境下易發生水解,使電池失效,電池的長期穩定性成為困擾其商業化的瓶頸和難點所在。

近期,北京大學物理學院的趙清副教授等設計了一種鈣鈦礦電池的新結構,將吸濕性PEG分子作為聚合物骨架引入到鈣鈦礦材料吸光層中,長鏈PEG分子構成的三維網絡使鈣鈦礦材料成膜質量顯著提高,電池光電轉化效率和重復性得到顯著提高,最高效率可達16%。

該種電池在100℃下用一步法即可制備完成,方法簡單易行,易于推廣。由于PEG分子的超強吸濕性,聚合物骨架鈣鈦礦電池在濕度環境下的穩定性得到顯著提升:沒有任何封裝的電池器件在異常潮濕環境中(70%相對濕度)展現出超過300小時的穩定性。不僅如此,聚合物骨架鈣鈦礦電池展現出神奇的“自修復”功能:在鈣鈦礦材料和電池被水解破壞后,1分鐘內可迅速自修復回到原來的電池狀態和電池效率。研究表明,由于PEG與鈣鈦礦材料中的甲胺離子具有很強的相互作用,使水解后的碘化鉛與甲胺碘可原位再次生成鈣鈦礦材料,展現出電池材料和效率均可“自修復”的功能。這種新型聚合物骨架結構使鈣鈦礦電池對水破壞性和潮濕環境的耐受度大大增強,極大提高了電池在濕度環境下的穩定性,解決了鈣鈦礦電池害怕水汽和電池效率在潮濕環境下會迅速減退的應用難題,為今后鈣鈦礦電池商業化提供了一條新思路,具有重要的科學意義和應用價值。

圖1 聚合物骨架鈣鈦礦太陽能電池結構示意圖;圖2 電池光伏性能的自修復I-V曲線;圖3 鈣鈦礦薄膜在被水汽破壞后一分鐘內的自修復展示照片,薄膜回復到初始狀態。


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