太陽能電池,在再生能源領域中是相當重要的技術,其中鈣鈦礦太陽能電池因其製程簡單、成本低廉等優勢,所以一直是科學界的研究熱點。研究人員發現,將鈣鈦礦太陽能電池中的有機陽離子(如甲胺和甲脒)替換成無機陽離子(如銫),就能有效增強鈣鈦礦太陽能電池的光穩定性(photostability)和熱穩定性。為了進一步提高太陽能電池的能量轉換效率,研究人員開發出串疊型太陽能電池(tandem solar cells)技術,這種電池是由多個具有不同能隙的子電池所組成,該設計讓有機-無機混合鈣鈦礦串疊太陽能電池創下約30%的能量轉換效率。然而,全無機鈣鈦礦太陽能電池要達到這樣的高轉換效率仍有困難,因為電池中的錫陽離子會引發深能缺陷(deep trap state),同時也會降低薄膜的品質,這些都會導致電池的效能大幅下降。
近日,中國華南理工大學的研究團隊,設計出一套配位演化(ligand evolution,LE)策略,他們使用對甲苯磺醯基聯氨(p-toluenesulfonyl hydrazide,簡稱PTSH)作為配位材料。當電池中的PTSH在加熱後,會變成對甲苯磺酸(p-toluenesulfonic acid,簡稱PTSA),接著再與鈣鈦礦晶格表面進行配位,成功消除無機鈣鈦礦中的深能缺陷。研究團隊的實驗結果顯示,這種配位演化機制可使二端(two-terminal)無機鈣鈦礦串疊太陽能電池的轉換效率達到22.57%,這個串疊電池是由一個能隙為1.31eV的CsPb0.4Sn0.6I3:LE窄能隙電池及一個能隙為1.92eV的CsPbI2Br寬能隙電池所組成。研究團隊進一步發現,透過這個配位演化策略,可以大幅提升電池的穩定性,在連續照光條件下,該無機鈣鈦礦串疊太陽能電池在65度下運作1,510小時後,仍能維持原始效率的80%;在85度下運作800小時後,也能保有原始效率的80%。