徐保民教授--钙钛矿太阳能电池

1 钙 钛 矿 太 阳 能 电 池 徐 保 民 南方科技大学材料科学与工程系，深圳，中国 xubm@sustech.edu.cn 2019年 11月 21日 2 报告 人 简介 – 徐保民 学习工作经历：  清华大学学士 (1981-1986)；中科院上 海硅酸盐所博士 (1986-1991)  中科院上海硅酸盐所助理研究员 /副研究员 (1991-1994)  美国宾州州大博士后 (1994-1996)，助理研究教授 (1996-2000)  美国施乐公司 PARC中心高级研究员，项目经理 (2000-2014)  南科大材料系讲席教授 、材料系科研 副主 任 (2014-至今 ) 主 要科研成果： 发表科研论文 110余篇，获授权美国专利 32项，其中 23项为第一 /唯一发明人 主要研究方向 — 新型清洁能源材料和器件及其制备技术：  清洁能源产生：新型钙钛矿太阳能电池材料和器件及其产业 化，高效晶硅电池的低成本制备技术；  储存：可充电电池和超级电容器新型制备技术，新材料；  理论和模拟：有限元模拟 ;“载能子 ” 产生、分离、传输和复合的机理。 3 Perovskite solar cellsAccessed on Nov. 03, 2019 太阳能电池实验室最高效率记录 钙钛 矿电 池实验室 最高效率： 25.2% 4 钙钛矿电 池 发 文统计 钙钛 矿电 池是太阳 能领域研 究的焦点 5 首个钙钛矿太阳能电池 J. Am. Chem. Soc., 2009, 131, 6050 liquid electrolyte, poor stability Tsutomu Miyasaka(Toin University of Yokohama) PCE = 3.8% 6 有机 -无机杂化钙钛 矿吸收层材 料 ABX3 B:Sn,Pb X： I,Br,Cl A:MA, FA David Mitzi (Duke) 钙钛矿结构： CaTiO3 (ABX3) (CH3NH3)PbI3 7 钙钛矿材料性能优势 Perovskite Si CIGS GaAs Bandgap (eV) 1.55 (tunable) 1.12 1.15 1.43 Absorption coefficient 10 4-5 103 104-5 104-5 Carrier mobility cm2/(V·s) 2000 1500 100 ns ms 50-200 ns $150/g): 中间结构太复杂 (很多环 )  合成复杂  成本高 2) 导电 性太低  添加锂盐增加导电性  锂盐易吸水  稳定性差 $ 25-250/g 22 新 型 空 穴传输层材料 设计原则 --简单易得： 结构简单：单环结构 合成容易：只需 2步合成 DTB Luozheng Zhang, Baomin Xu* et al, Advanced Materials, 2018, 1804028 23 新 型 空 穴传输层材料 设计原则 –功效显著： 1）短的侧链 “边朝上” 更多噻吩接触钙钛矿层 2）少的侧链 噻 吩更接近钙钛矿 DTB 更 好钝化和电荷转移功能 Perovskite π-π stacking Layer 1 Layer 2 Side chain Main chain Perovskite π-π stacking stack 2 stack 1 “边朝上” “面朝上” Luozheng Zhang, Baomin Xu* et al, Advanced Materials, 2018, 1804028 24 新 型 空 穴传输层材料 能 级合适 100 200 300 400 500 600 50 60 70 80 90 100 O We ig h t( % ) T empe r at u r e ( C )0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 1E-5 1E-4 1E-3 0.0 1 0.1 1 10 100 Ex perimental Fitting Cu r r e n t de n s it y ( mA /cm 2 ) V ol t age ( V )空穴 迁 移率合适(1.0×10-4 cm2 V-1 s-1) T i O 2 P3 Au - 5 . 2 eV - 2 . 9 1 eV - 3 . 9 3 eV - 4 . 0 eV - 4 . 4 eV F T O - 5. 05 eV - 5 . 4 8 eV - 7 . 2 eV Pero v s kit e 热稳定性好 “边朝上”取向 25 新 型 空 穴传输层材料 Device VOC[V] JSC[mA cm-2] FF[%] PCE[%] DTB 1.10 25.32 69.85 19.68 Spiro- OMeTAD 1.14 22.75 75.79 19.81 认证效率 19.5% 基 于无掺杂 HTM 介孔结构钙钛矿电 池的最高效率 Cs0.05FA0.81MA0.14PbI2.55Br0.45 26 效 率进一步提升 VOC [V] JSC [mA cm-2] FF [%] PCE [%] Forward 1.15 24.33 74.89 21.0 Reverse 1.15 24.31 78.58 22.0 最高效率 22.0% (认证效率 21.7%） 27 结 语 钙钛矿太阳能电池在过去 10年间无论在效率提升和稳 定性提高方面都取得了重大进步，产业化可期； 开发出以 简单、可量产、低成本和环境友好 /绿 色的工 艺技术来制备高效率高稳定 的大面积钙 钛矿 太阳能电 池，是其实现产业化的关键 ； 我 们团队致力于这一方 面的研究，并取得了一定的成果。 28 致 谢 感 谢深圳市孔雀团队项目的支持！ 感谢 国家“十三五”重点研发计划项目的支持！ 感 谢课题组全体老师和同学的努力！ 感 谢 您 的 聆 听！