雙鈣鈦礦Cs2AgBiBr6太陽(yáng)能電池的雙離子遷移效應(yīng)及其對(duì)電池穩(wěn)定性的影響
發(fā)布時(shí)間：2020-08-28 作者：Annie 分享到：
近年來(lái)，鹵化鉛鈣鈦礦在太陽(yáng)能電池領(lǐng)域取得了一系列突破性的進(jìn)展，使得基于這類(lèi)材料的太陽(yáng)能電池達(dá)到了25.2%的高認(rèn)證效率。然而，鹵化鉛鈣鈦礦材料本身含鉛，所以涌現(xiàn)出很多研究工作致力于開(kāi)發(fā)低毒性/無(wú)毒性的無(wú)鉛鈣鈦礦材料。無(wú)鉛雙鈣鈦礦Cs2AgBiBr6在解決鹵化鉛鈣鈦礦面臨的毒性和穩(wěn)定性挑戰(zhàn)方面引起了越來(lái)越多的研究興趣。相對(duì)于含鉛鹵化物鈣鈦礦材料來(lái)說(shuō)，這一材料毒性低且根據(jù)已有文獻(xiàn)報(bào)道其穩(wěn)定性也很好，因此在太陽(yáng)能電池，X-射線(xiàn)/光電探測(cè)器，化學(xué)傳感器和光催化等方向都有相關(guān)報(bào)道。在太陽(yáng)能電池應(yīng)用方面，盡管大多數(shù)對(duì)Cs2AgBiBr6雙鈣鈦礦的研究都集中在光伏性能和薄膜沉積條件的優(yōu)化上，但其長(zhǎng)期穩(wěn)定性和降解機(jī)理尚未得到充分研究。類(lèi)似于鹵化鉛鈣鈦礦材料，這種雙鈣鈦礦材料也可能具備離子遷移的性質(zhì)，但這方面的研究也尚未報(bào)道。
昆士蘭大學(xué)化工學(xué)院王連洲教授課題組報(bào)道了無(wú)鉛雙鈣鈦礦（Cs2AgBiBr6）薄膜太陽(yáng)能電池表現(xiàn)出很有意思的雙離子擴(kuò)散現(xiàn)象，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論模擬揭示了該現(xiàn)象的可能機(jī)理以及對(duì)材料和器件穩(wěn)定性的影響。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Advanced Functional Materials（DOI: 10.1002/adfm.202002342）。鉛基鹵化物鈣鈦礦材料具備離子遷移的特性，且這一性質(zhì)對(duì)這類(lèi)材料在光電子/電子器件的應(yīng)用有很大影響。一般情況下，鹵素離子在鉛基鹵化物鈣鈦礦材料中更容易遷移，而金屬離子相對(duì)更穩(wěn)定。然而，在無(wú)鉛雙鈣鈦礦材料中，研究人員發(fā)現(xiàn)了鹵素和金屬離子的雙離子遷移現(xiàn)象。**，研究人員針對(duì)無(wú)鉛雙鈣鈦礦太陽(yáng)能電池開(kāi)發(fā)了**的Cs2AgBiBr6薄膜，基于這一材料的無(wú)鉛鈣鈦礦電池效率達(dá)到了1.91％。通過(guò)研究這些無(wú)鉛雙鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的環(huán)境穩(wěn)定性，研究人員發(fā)現(xiàn)Cs2AgBiBr6表現(xiàn)出很有意思的雙離子遷移現(xiàn)象，其中Ag和Br離子在長(zhǎng)期運(yùn)行中通過(guò)空穴傳輸層逐漸擴(kuò)散。這種現(xiàn)象導(dǎo)致Cs2AgBiBr6鈣鈦礦的降解和相應(yīng)的器件在穩(wěn)定性測(cè)試中失效。在Cs，Ag，Bi和Br四種元素中，理論計(jì)算表明Ag和Br空位的形成能低，而且擴(kuò)散能壘也更低低，導(dǎo)致這兩種離子出現(xiàn)“雙離子遷移效應(yīng)”。研究人員提出了一種缺陷空位誘導(dǎo)的離子遷移機(jī)理來(lái)解釋這種現(xiàn)象。這些發(fā)現(xiàn)對(duì)于鹵化物雙鈣鈦礦不僅是提供進(jìn)一步解決雙鈣鈦礦穩(wěn)定性挑戰(zhàn)的具有借鑒意義，而且對(duì)于擴(kuò)展可能需要兼具電子，離子和光子混合特性的光電/電子器件應(yīng)用至關(guān)重要。
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