物理所钙钛矿型甲胺铅碘薄膜太阳能电池研究获进展-论文.pdf

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1、现代材料动态2014年第6期获得了一系列高性能碳硫复合电极材料，显著提升了锂硫电池的性能。特别是最近该团队从实际应用出发，在宏观尺度上提出了独特的锂硫电池三明治正极结构的思路，即利用轻质石墨烯集流体替代传统的铝箔，将纯硫涂覆到石墨烯集流体上，与涂覆石墨烯的隔膜组成三明治正极结构。石墨烯集流体具有较高的表面粗糙度和柔性层状堆叠结构，前者可以提供与活性电极材料良好的电接触(明显优于传统铝箔集流体)，后者可有效缓冲单质硫在充放电过程中的体积膨胀，从而保证持久稳定的电接触。同时石墨烯集流体对硫及多硫化物具有良好的吸附能力，在电化学反应过程中可以减少由于多硫化物溶于电解液而造成的

2、活性物质流失。石墨烯复合隔膜中的石墨烯层也可以有效抑制溶解的多硫离子的穿梭效应，降低了电池由于穿梭效应造成的不可逆容量，使电池的库仑效率在长期循环过程中始终接近100％，而且循环稳定性显著提高；同时由于该石墨烯层具有良好的导电性，可以作为前置集流体增加与电极材料的电接触，从而进一步降低了电池的内阻，保证了电池具有快速充放电性能。此外，他们在研究中首次利用x射线三维成像技术观察了多硫化物的扩散过程，证明了三明治结构设计的优势。他们以工业化生产的石墨烯为原料通过连续工艺制备了石墨烯集流体和石墨烯复合隔膜，并且其组装方法与现有的锂离子电池制造工艺可以兼容，因此具有进一步放大和

3、产业化的前景。物理所钙钛矿型甲胺铅碘薄膜太阳能电池研究获进展钙钛矿型甲胺铅碘薄膜太阳能电池以其结构简单、制备成本低廉等优点吸引了众多科研工作者的关注。其光电转化效率在近5年内从3．8％迅速提高到15％以上，高于非晶硅太阳电池效率，被Science评选为2013年十大科学突破之一。随着电池工艺的进一步发展和成熟，电池效率有望突破20％，有广泛的应用前景。但目前该类高效率的电池均采用较为昂贵的有机分子(比如Spiro-OMeTAD)作为空穴传输材料，这在很大程度上提高了电池成本，且有机材料的长期稳定性也值得进一步检验。因此，发展高效率的无空穴传输材料的钙钛矿型薄膜太阳能电池

4、成为这类新型太阳能电池的重要研究方向之一。目前，报道的无空穴传输材料的钙钛矿薄膜太阳能电池的最高效率达到了8％，还远低于基于空穴材料的钙钛矿型电池。同时，对该类太阳能电池工作机理的认识上还存在敏化机制和异质结机制的争论。最近，中国科学院物理研究所／北京凝聚态物理国家实验室(筹)清洁能源重点实验室研究员孟庆波研究组在改进薄膜沉积工艺的基础上，通过界面调控和薄膜沉积优化，在无空穴传输材料的钙钛矿型甲胺铅碘薄膜太阳能电池方面研究取得了重要进展，电池效率率先突破10％，电池开路电压超过900mV。首次采用单异质结理想二极管模型对电池的电流一电压特性进行了系统分析，结果表明：该类

5、电池的电流一电压特性与理想模型符合得非常好，是一种典型的异质结电池。电池理想因子A在1．85～1．93之间，表明该电池的二极管正向饱和电流主要由半导体耗尽区的载流子复合决定，首次证实了异质结空间电荷区的存在。同时计算得到了该电池的串联电阻和二极管正向饱和电流值，结果表明，该电池的串联电阻和二极管正向饱和电流均很小，可与目前广泛研究的高效率薄膜太阳能电池(如Cu(In、Ga)Se，CdTe)比拟。阻抗谱研究进一步证实理想模型分析的准确性，并得到了自洽的计算结果，直接证明了该类电池是异质结薄膜太阳能电池。这一结论对该类太阳能电池器件设计和性能提升具有重要的指导意义。l7