华南理工大学,Nature!

锂电联盟会长 2024-12-01 09:01

点击左上角“锂电联盟会长”,即可关注!

第一作者:Chenghao Duan

通讯作者:Keyou Yan

通讯单位:华南理工大学

DOI:
https://doi.org/10.1038/s41586-024-08432-7


研究背景
通过用无机阳离子(例如Cs+)替代有机阳离子(例如甲基铵(MA+)和甲脒(FA+))制备的全无机钙钛矿是提高钙钛矿太阳能电池(PSCs)长期光稳定性和热稳定性的有效概念。因此,无机钙钛矿串联太阳能电池(IPTSCs)是有希望突破效率瓶颈并解决稳定性问题的候选者。然而,由于锡阳离子引起的薄膜形成不良和深陷阱态,制造2T IPTSCs仍然面临挑战。

本文亮点
本文采用对甲苯磺酰肼(PTSH)的LE策略来调节薄膜形成和消除无机窄带隙(NBG)钙钛矿中的深陷阱,成功开发了2T IPTSCs。相应地,1.31 eV的CsPb0.4Sn0.6I3:LE器件实现了17.41%的创纪录效率。结合1.92 eV的CsPbI2Br顶电池,2T IPTSCs展示了22.57%的冠军效率(认证为21.92%)。此外,IPTSCs经过最大功率点(MPP)跟踪测试表现出显著的耐久性,在65℃下维持初始效率的80%达1510小时,在85℃下达800小时。本文揭示了利用多重作用的LE来促进无机NBG钙钛矿的生长机理,预期本研究可为开发高效率和稳定的IPTSCs提供参考。


图文导读
图1| LE提升了无机NBG PSC的性能

要点:

1.PTSH通常被认为是一种绿色的配体,相对于大多数肼类化合物而言。如图1a所示,肼基团倾向于与Pb²⁺/Sn²⁺形成配合物,以调控钙钛矿晶体的生长。此外,通过PTSH还原产生的PTSA可以继续与Pb²⁺/Sn²⁺进行配位,对钙钛矿的表面/边界进行钝化。本文在钙钛矿前驱体溶液中添加了不同量的PTSH,并观察到随着PTSH量的增加,钙钛矿溶液的氧化速率显著受到抑制。本文优化了带隙,并发现无机CsPb₁₋ₓSnxI₃(x≥0.4)钙钛矿作为TSCs中的NBG吸收层呈现出有希望的选择。

2.本文制备了不同NBG CsPb₁₋ₓSnxI₃(0.8≥x≥0.4)的PSCs,配置为ITO/NiOx/perovskite/ZnO/PCBM/Ag,以研究光电性能(图1b)。所有CsPb₁₋ₓSnxI₃:LE器件的效率与对照组相比都有显著提升,特别是在CsPb₀.₄Sn₀.₆I₃体系中。本文使用带隙为1.31 eV的CsPb₀.₄Sn₀.₆I₃ PSC进行演示,图1c展示了在模拟空气质量(AM)1.5G辐射下,有无LE的最优CsPb₀.₄Sn₀.₆I₃器件的电流密度-电压(J-V)曲线。与CsPb₀.₄Sn₀.₆I₃ PSC的12.36%效率相比,CsPb₀.₄Sn₀.₆I₃:LE器件实现了显著的17.41%效率,开路电压(Voc)为0.82 V,短路电流密度(Jsc)为28.86 mA/cm²,填充因子(FF)为73.66%。PTSH的最佳浓度约为4.0 mg/mL。


图2|LE改善了钙钛矿的结晶和微观结构

要点:

1.通过X射线衍射(XRD)和掠入射宽角X射线散射(GIWAXS)测量,仔细研究了LE对结晶质量的影响。与CsPb0.4Sn0.6I3样品相比,CsPb0.4Sn0.6I3:LE显示出增强的(101)和(202)晶体峰,这表明LE可以有效地调控沿(101)方向的结晶和取向。在GIWAXS图像中,CsPb0.4Sn0.6I3和CsPb0.4Sn0.6I3:LE薄膜分别显示出各向同性的布拉格环和尖锐的离散布拉格斑点(图2a, b),表明LE改善了结晶性质。同时,CsPb0.4Sn0.6I3:LE薄膜从水平排列的衍射点阵列中展示了垂直于基底排列的晶体结构。

2.图2c-f展示了不同浓度PTSH的钙钛矿薄膜的扫描电子显微镜(SEM)图像。与多孔CsPb0.4Sn0.6I3薄膜相比(图2c),含有4 mg/mL PTSH的钙钛矿薄膜呈现出更大的晶粒尺寸且没有任何明显的针孔(图2e)。值得注意的是,横截面的SEM测量也揭示出,与对照的CsPsb0.4Sn0.6I3薄膜(图2d)相比,CsPb0.4Sn0.6I3:LE薄膜显示出显著的柱状排列的钙钛矿晶粒,并且沿垂直方向减少了晶界(图2f)。这主要是因为PTSH作为路易斯碱可以有效地通过与Sn2+/Pb2+离子形成加合物来减慢钙钛矿晶体的生长速度,这有利于获得取向良好且高质量的钙钛矿薄膜。然而,过量的PTSH会显著降低钙钛矿薄膜的质量,因为PTSH在高温下分解释放出大量的气体(N2、H2O和HI)。在紫外-可见吸收光谱中,含有4 mg/mL PTSH的钙钛矿薄膜达到了最大吸收强度。


图3| 监测LE的相互作用机制

要点:

1.图3a描绘了通过监测LE过程的交互机制。在低温成膜过程中,PTSH与Sn/Pb阳离子配位,以调控晶体的生长并改善其取向性。密度泛函理论(DFT)计算结果发现,PTSH分子与Pb²⁺/Sn²⁺离子的配位比DMSO分子更为牢固。随后,随着加热温度的升高,PTSH逐渐将Sn⁴⁺还原为Sn²⁺,并同时产生PTSA与未配位的Sn²⁺和Pb²⁺进行配位。

2.质子核磁共振(¹H NMR)显示负的化学位移和傅里叶变换红外光谱(FTIR)显示正的位移,也证实了PTSH与钙钛矿前驱体中的Pb²⁺/Sn²⁺离子之间的相互作用。加热到105℃后,CsPb₀.₄Sn₀.₆I₃:PTSH的¹H NMR谱中NH₂和NH的共振信号消失,表明肼基团分解(图3b)。

3.本文进一步模拟了CsPb₀.₄Sn₀.₆I₃:LE样品的加热过程,并使用原位热重分析(TG)-FTIR测量监测峰值变化以确认相互作用(图3c)。持续加热至105℃ 10分钟,观察到加热时间与N-H伸缩振动和PTSH的S-N峰减弱(最终消失)之间存在显著关联,这是由于其肼基团的分解。此外,对各种样品的X射线光电子能谱(XPS)全谱进行比较发现,在70℃处理的CsPb₀.₄Sn₀.₆I₃:PTSH样品中有一个明显的N 1s峰,而在105℃处理后该峰消失,支持在高温处理过程中PTSH发生还原。

4.通过¹H NMR和FTIR从检测到的-SO₃H信号中也确认了PTSH转化为PTSA的反应产物。同时,使用飞行时间二次离子质谱(ToF-SIMS)观察到CsPb₀.₄Sn₀.₆I₃:LE样品中的NH₂NH⁻信号消失,表明PTSH中的肼基团将Sn⁴⁺还原为Sn²⁺,并伴随着N₂的产生。SO₃⁻信号主要分布在薄膜的顶部和底部,这与PTSA的分布相对应(图3d)。此外,生成的PTSA还可以与Pb²⁺/Sn²⁺离子结合,钝化钙钛矿薄膜的缺陷态。


图4| 优化后的2T IPTSC的光伏性能和稳定性

要点:

1.串联技术对于实现高效的光伏电力发电具有广阔的潜力。本文成功地构建了一个完整的集成型串联太阳能电池(IPTSC),利用CsPb0.4Sn0.6I3:LE钙钛矿太阳能电池(带隙为1.31电子伏)作为底部的窄带隙子电池,以及CsPbI2Br钙钛矿太阳能电池(带隙为1.92电子伏)作为顶部的宽带隙子电池。通过调整旋涂速度和前体溶液浓度,获得了不同厚度的窄带隙活性层。本文发现:以5000转每分钟制备的相应IPTSC效率最佳。图4b展示了2T IPTSC的横截面SEM图像,其中IPTSC中窄带隙活性层的厚度约为320纳米。根据J-V曲线(图4c),宽带隙子电池表现出15.57%的效率。值得注意的是,优化后的2T设备实现了更高的效率,达到了22.57%。

2.此外,图4d展示了2T IPTSC两个子电池的IPCE光谱。宽带隙(WBG)和窄带隙(NBG)子电池的积分Jsc值分别计算为14.41和14.43 mA/cm²。此外,本文还测试了相应设备的反射光谱。在连续光照300秒后,制备的2T设备的稳态输出效率为22.11%,显示出良好的稳定性(见图4e)。

3. 在NBG钙钛矿薄膜上直接应用一层薄薄的原子层沉积(ALD)-SnO2层(约10 nm)作为离子迁移屏障层和电子传输层(ETL),对器件效率(22.43%)影响不大,但能显著提高稳定性(图4c)。在相同的老化条件下,带有ALD-SnO2层的CsPb0.4Sn0.6I3:LE器件在银电极上未检测到I-离子,表明ALD-SnO2层可以有效抑制I-离子的迁移。同时,未经封装的带有ALD-SnO2层的2T器件在65℃下经过1510小时以及在85℃下经过800小时后,在最大功率点(MPP)跟踪下分别保持了初始效率的80%(图4g)。


总结展望
这些结果表明,IPTSC的光热稳定性远高于HPTSC。通过优化分子结构的LE策略有望在未来提升钙钛矿串联电池的性能和稳定性。
来源:清新能源
锂电联盟会长向各大团队诚心约稿,课题组最新成果、方向总结、推广等皆可投稿,请联系:邮箱libatteryalliance@163.com或微信Ydnxke。
相关阅读:
锂离子电池制备材料/压力测试
锂电池自放电测量方法:静态与动态测量法
软包电池关键工艺问题!
一文搞懂锂离子电池K值!
工艺,研发,机理和专利!软包电池方向重磅汇总资料分享!
揭秘宁德时代CATL超级工厂!
搞懂锂电池阻抗谱(EIS)不容易,这篇综述值得一看!
锂离子电池生产中各种问题汇编
锂电池循环寿命研究汇总(附60份精品资料免费下载)

锂电联盟会长 研发材料,应用科技
评论
  • 本文介绍Linux系统更换开机logo方法教程,通用RK3566、RK3568、RK3588、RK3576等开发板,触觉智能RK3562开发板演示,搭载4核A53处理器,主频高达2.0GHz;内置独立1Tops算力NPU,可应用于物联网网关、平板电脑、智能家居、教育电子、工业显示与控制等行业。制作图片开机logo图片制作注意事项(1)图片必须为bmp格式;(2)图片大小不能大于4MB;(3)BMP位深最大是32,建议设置为8;(4)图片名称为logo.bmp和logo_kernel.bmp;开机
    Industio_触觉智能 2025-01-06 10:43 72浏览
  • 这篇内容主要讨论三个基本问题,硅电容是什么,为什么要使用硅电容,如何正确使用硅电容?1.  硅电容是什么首先我们需要了解电容是什么?物理学上电容的概念指的是给定电位差下自由电荷的储藏量,记为C,单位是F,指的是容纳电荷的能力,C=εS/d=ε0εrS/4πkd(真空)=Q/U。百度百科上电容器的概念指的是两个相互靠近的导体,中间夹一层不导电的绝缘介质。通过观察电容本身的定义公式中可以看到,在各个变量中比较能够改变的就是εr,S和d,也就是介质的介电常数,金属板有效相对面积以及距离。当前
    知白 2025-01-06 12:04 110浏览
  • 根据Global Info Research项目团队最新调研,预计2030年全球封闭式电机产值达到1425百万美元,2024-2030年期间年复合增长率CAGR为3.4%。 封闭式电机是一种电动机,其外壳设计为密闭结构,通常用于要求较高的防护等级的应用场合。封闭式电机可以有效防止外部灰尘、水分和其他污染物进入内部,从而保护电机的内部组件,延长其使用寿命。 环洋市场咨询机构出版的调研分析报告【全球封闭式电机行业总体规模、主要厂商及IPO上市调研报告,2025-2031】研究全球封闭式电机总体规
    GIRtina 2025-01-06 11:10 76浏览
  • 每日可见的315MHz和433MHz遥控模块,你能分清楚吗?众所周知,一套遥控设备主要由发射部分和接收部分组成,发射器可以将控制者的控制按键经过编码,调制到射频信号上面,然后经天线发射出无线信号。而接收器是将天线接收到的无线信号进行解码,从而得到与控制按键相对应的信号,然后再去控制相应的设备工作。当前,常见的遥控设备主要分为红外遥控与无线电遥控两大类,其主要区别为所采用的载波频率及其应用场景不一致。红外遥控设备所采用的射频信号频率一般为38kHz,通常应用在电视、投影仪等设备中;而无线电遥控设备
    华普微HOPERF 2025-01-06 15:29 73浏览
  • 彼得·德鲁克被誉为“现代管理学之父”,他的管理思想影响了无数企业和管理者。然而,关于他的书籍分类,一种流行的说法令人感到困惑:德鲁克一生写了39本书,其中15本是关于管理的,而其中“专门写工商企业或为企业管理者写的”只有两本——《为成果而管理》和《创新与企业家精神》。这样的表述广为流传,但深入探讨后却发现并不完全准确。让我们一起重新审视这一说法,解析其中的矛盾与根源,进而重新认识德鲁克的管理思想及其著作的真正价值。从《创新与企业家精神》看德鲁克的视角《创新与企业家精神》通常被认为是一本专为企业管
    优思学院 2025-01-06 12:03 73浏览
  • 自动化已成为现代制造业的基石,而驱动隔离器作为关键组件,在提升效率、精度和可靠性方面起到了不可或缺的作用。随着工业技术不断革新,驱动隔离器正助力自动化生产设备适应新兴趋势,并推动行业未来的发展。本文将探讨自动化的核心趋势及驱动隔离器在其中的重要角色。自动化领域的新兴趋势智能工厂的崛起智能工厂已成为自动化生产的新标杆。通过结合物联网(IoT)、人工智能(AI)和机器学习(ML),智能工厂实现了实时监控和动态决策。驱动隔离器在其中至关重要,它确保了传感器、执行器和控制单元之间的信号完整性,同时提供高
    腾恩科技-彭工 2025-01-03 16:28 166浏览
  • 在智能家居领域中,Wi-Fi、蓝牙、Zigbee、Thread与Z-Wave等无线通信协议是构建短距物联局域网的关键手段,它们常在实际应用中交叉运用,以满足智能家居生态系统多样化的功能需求。然而,这些协议之间并未遵循统一的互通标准,缺乏直接的互操作性,在进行组网时需要引入额外的网关作为“翻译桥梁”,极大地增加了系统的复杂性。 同时,Apple HomeKit、SamSung SmartThings、Amazon Alexa、Google Home等主流智能家居平台为了提升市占率与消费者
    华普微HOPERF 2025-01-06 17:23 79浏览
  • 光耦合器,也称为光隔离器,是一种利用光在两个隔离电路之间传输电信号的组件。在医疗领域,确保患者安全和设备可靠性至关重要。在众多有助于医疗设备安全性和效率的组件中,光耦合器起着至关重要的作用。这些紧凑型设备经常被忽视,但对于隔离高压和防止敏感医疗设备中的电气危害却是必不可少的。本文深入探讨了光耦合器的功能、其在医疗应用中的重要性以及其实际使用示例。什么是光耦合器?它通常由以下部分组成:LED(发光二极管):将电信号转换为光。光电探测器(例如光电晶体管):检测光并将其转换回电信号。这种布置确保输入和
    腾恩科技-彭工 2025-01-03 16:27 171浏览
  •     为控制片内设备并且查询其工作状态,MCU内部总是有一组特殊功能寄存器(SFR,Special Function Register)。    使用Eclipse环境调试MCU程序时,可以利用 Peripheral Registers Viewer来查看SFR。这个小工具是怎样知道某个型号的MCU有怎样的寄存器定义呢?它使用一种描述性的文本文件——SVD文件。这个文件存储在下面红色字体的路径下。    例:南京沁恒  &n
    电子知识打边炉 2025-01-04 20:04 69浏览
  • 随着市场需求不断的变化,各行各业对CPU的要求越来越高,特别是近几年流行的 AIOT,为了有更好的用户体验,CPU的算力就要求更高了。今天为大家推荐由米尔基于瑞芯微RK3576处理器推出的MYC-LR3576核心板及开发板。关于RK3576处理器国产CPU,是这些年的骄傲,华为手机全国产化,国人一片呼声,再也不用卡脖子了。RK3576处理器,就是一款由国产是厂商瑞芯微,今年第二季推出的全新通用型的高性能SOC芯片,这款CPU到底有多么的高性能,下面看看它的几个特性:8核心6 TOPS超强算力双千
    米尔电子嵌入式 2025-01-03 17:04 45浏览
  • PLC组态方式主要有三种,每种都有其独特的特点和适用场景。下面来简单说说: 1. 硬件组态   定义:硬件组态指的是选择适合的PLC型号、I/O模块、通信模块等硬件组件,并按照实际需求进行连接和配置。    灵活性:这种方式允许用户根据项目需求自由搭配硬件组件,具有较高的灵活性。    成本:可能需要额外的硬件购买成本,适用于对系统性能和扩展性有较高要求的场合。 2. 软件组态   定义:软件组态主要是通过PLC
    丙丁先生 2025-01-06 09:23 66浏览
我要评论
0
点击右上角,分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦