離子遷移被認(rèn)為是造成鈣鈦礦太陽能電池不穩(wěn)定的主要原因。當(dāng)鈣鈦礦薄膜中的軟晶格和相對較弱的鍵導(dǎo)致缺陷形成能較低時(shí)，就會發(fā)生離子遷移，因此熱和光很容易激活鈣鈦礦晶格內(nèi)的離子缺陷。離子的積累會使局部晶體結(jié)構(gòu)變形，并破壞鈣鈦礦薄膜、電子傳輸層 (ETL) 和空穴傳輸層 (HTL) 以及電極。
研究人員解釋說：“在鈣鈦礦太陽能電池中加入空穴選擇性中間層的想法受到質(zhì)子交換膜 (PEM) 燃料電池的啟發(fā)，其中 PEM 充當(dāng)質(zhì)子導(dǎo)體，同時(shí)阻止其他化學(xué)物質(zhì)的擴(kuò)散。”“設(shè)計(jì)阻止層間離子擴(kuò)散的內(nèi)部屏障對于提高鈣鈦礦太陽能電池的使用壽命至關(guān)重要。”
研究團(tuán)隊(duì)用一種名為 PDTBT2T-FTBDT (D18) 的超薄聚合物材料構(gòu)建了空穴選擇性中間層，據(jù)報(bào)道，由于其稀釋溶液的高流動(dòng)性，該材料可在鈣鈦礦薄膜表面提供保形覆蓋。它還具有與鈣鈦礦吸收劑和 Spiro-OMeTAD HTL 匹配的能級對齊。
學(xué)者們通過在鈣鈦礦薄膜上旋涂 D18 的熱氯苯 (CB) 溶液來沉積中間層，據(jù)報(bào)道，這會導(dǎo)致形成致密的膜。他們用玻璃和氟摻雜氧化錫 (FTO) 制成的基板、基于氧化錫 (SnO2) 的 ETL、鈣鈦礦吸收劑、D18 中間層、Spiro-OMeTAD HTL 和金 (Au) 金屬觸點(diǎn)構(gòu)建太陽能電池。
研究小組評估了中間層抑制離子擴(kuò)散的有效性，發(fā)現(xiàn)與最常用的聚合物 P3HT 和 PTAA 相比，它提供了更優(yōu)異的性能。“結(jié)果表明，D18 層在熱應(yīng)力下具有強(qiáng)大的離子阻擋能力，”它進(jìn)一步解釋說。“D18 與鈣鈦礦晶粒和晶界緊密接觸，提供保形覆蓋。”
在標(biāo)準(zhǔn)照明條件下對所提出的 0.12 cm 2太陽能電池進(jìn)行了測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其能量轉(zhuǎn)換效率為 26.39%，開路電壓為 1.185 V，短路電流為 26.54 mA cm−2，填充因子為 83.92%。相比之下，沒有 D18 層構(gòu)建的參考電池效率為 24.43%，開路電壓為 1.152 V，短路電流為 26.39 mA cm−2，填充因子為 80.37%。
研究人員表示：“我們已經(jīng)證明，引入聚合物 D18 中間層可以有效阻止鈣鈦礦太陽能電池內(nèi)層間離子擴(kuò)散，同時(shí)保持高效的空穴傳輸，從而顯著提高 nip 電池的穩(wěn)定性，認(rèn)證效率超過 26%”，并指出該電池在 1,100 小時(shí)后還能夠保持其初始效率的 95.4%。
他們還聲稱，該設(shè)備是目前“最穩(wěn)定”且效率最高的鈣鈦礦太陽能電池。
這一新電池概念是在最近發(fā)表在《自然通訊》上的一項(xiàng)研究“超薄聚合物膜用于改善鈣鈦礦太陽能電池中的空穴提取和離子阻擋”中提出的。
