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近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所能源材料與器件制造研究部研究員胡林華課題組等將聚乙烯吡咯烷酮引入鈣鈦礦吸光材料，實(shí)現(xiàn)了鈣鈦礦太陽電池自修復(fù)。
近年來，鈣鈦礦材料因其優(yōu)異的光電性能，成為光電器件領(lǐng)域中具有應(yīng)用前景的光電材料之一。目前鈣鈦礦太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)25.5%，但是鈣鈦礦材料對輻射、濕度等敏感，暴露在大氣條件下容易降解，嚴(yán)重影響其使用。因此，開發(fā)高性能、高穩(wěn)定和具有自修復(fù)功能的鈣鈦礦太陽電池器件尤為重要，具有挑戰(zhàn)性。
“鈣鈦礦太陽電池在空氣環(huán)境中工作時，水分是導(dǎo)致其分解的關(guān)鍵因素之一。”胡林華表示，鑒于此，研究人員在鈣鈦礦前驅(qū)體溶液中加入聚乙烯吡咯烷酮。聚乙烯吡咯烷酮具有高密度的極性羰基，可以與甲胺離子的亞氨基基團(tuán)形成氫鍵相互作用;另一方面，聚乙烯吡咯烷酮可與碘甲胺形成中間絡(luò)合物減緩鈣鈦礦晶體的成核速度。以上兩種效應(yīng)使得鈣鈦礦薄膜具有更少的缺陷和更大的晶粒尺寸，使得制作的太陽電池具有較強(qiáng)的自修復(fù)功能，濕度穩(wěn)定性得到明顯提升。
聚乙烯吡咯烷酮是一種長鏈聚合物，將其引入太陽電池中，可以包裹鈣鈦礦吸光材料，形成疏水屏障，阻止水分子的入侵。它還能與甲胺離子的亞氨基基團(tuán)形成氫鍵相互作用，抑制甲胺的分解和揮發(fā)，提高電池自愈能力。聚乙烯吡咯烷酮的引入，實(shí)現(xiàn)了電池多次自修復(fù)，提升了電池的工作壽命，并使得鈣鈦礦薄膜缺陷減少，晶粒增大，提高了電池的光電轉(zhuǎn)化效率。
鈣鈦礦材料生長過程中對環(huán)境因素極為敏感，聚乙烯吡咯烷酮是一種絕緣聚合物，它的引入勢必會影響鈣鈦礦晶體生長和薄膜的導(dǎo)電性。通過調(diào)控聚乙烯吡咯烷酮的工藝步驟和鈣鈦礦薄膜的生長工藝，控制晶體成核速度，增大鈣鈦礦晶體尺寸等來實(shí)現(xiàn)自修復(fù)，提升電池性能。
胡林華表示，下一步，課題組將圍繞更長時間自修復(fù)和光照條件下的自修復(fù)等開展研究，相關(guān)研究將加快鈣鈦礦太陽電池實(shí)用化進(jìn)程。
