中科院：青島能源所發(fā)現(xiàn)石墨炔可作為主體材料應(yīng)用于鈣鈦礦電池

二維碳石墨炔（GD）是由1，3-二炔鍵將苯環(huán)共軛連接形成的具有二維平面網(wǎng)絡(luò)的全碳超大結(jié)構(gòu)，具有豐富的碳化學(xué)鍵，大的共軛體系、寬面間距、優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性和半導(dǎo)體性能，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生物、能源、催化、信息技術(shù)、儲(chǔ)能等各個(gè)領(lǐng)域，是第一個(gè)具有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的碳材料。石墨炔具有天然的帶隙，是一類本征半導(dǎo)體，具有高電荷傳輸能力。由于其特殊的電子結(jié)構(gòu)及類似硅的優(yōu)異半導(dǎo)體性能，使其在能源的多個(gè)領(lǐng)域和太陽能電池中獲得重要應(yīng)用。

　　全球?qū)稍偕茉吹木薮笮枨蟠龠M(jìn)了鈣鈦礦太陽能電池研究的蓬勃發(fā)展。目前，鈣鈦礦太陽能電池常見的遲滯效應(yīng)與穩(wěn)定性問題嚴(yán)重阻礙了其實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化大規(guī)模應(yīng)用。如何制備出一種性能優(yōu)異且穩(wěn)定性好的電池器件是亟需解決的難題。在中國科學(xué)院院士李玉良的指導(dǎo)下，中科院青島生物能源與過程研究所酒同鋼團(tuán)隊(duì)首次將石墨炔作為電池活性層的主體材料，當(dāng)石墨炔活性材料含量為25%時(shí)，制備的鈣鈦礦太陽能電池效率最高可達(dá)21.01%。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)石墨炔作為主體材料時(shí)，石墨炔豐富的π電子與鈣鈦礦前體溶液中的鉛有明顯的配位作用，從而延緩了鈣鈦礦的結(jié)晶速度，實(shí)現(xiàn)大晶粒尺寸、較少晶界、高結(jié)晶度的完美結(jié)合。在實(shí)現(xiàn)光電性能提高的同時(shí)，遲滯效應(yīng)和穩(wěn)定性也得到了極大改善。

　　隨后，研究人員從瞬態(tài)熒光、激子產(chǎn)生率、導(dǎo)電性等方面探究了器件性能提升的原因，結(jié)果表明石墨炔的引入不僅有效減少了晶界，抑制了電荷在晶界處的復(fù)合，同時(shí)有效提高了電荷的傳輸，這些效果均有利于器件填充因子和短路電流密度的提高，進(jìn)而提高了器件性能。同時(shí)由于鈣鈦礦薄膜質(zhì)量的提高、缺陷態(tài)密度的減少，使得器件的遲滯效應(yīng)和穩(wěn)定性也得到極大改善。

　　該研究表明這是第一次發(fā)現(xiàn)碳材料可以作為主體材料用于太陽能電池，石墨炔作為鈣鈦礦主體材料對提高鈣鈦礦太陽能電池器件性能還有巨大潛力，也為鈣鈦礦電池器件研究工作提供了全新思路。相關(guān)研究成果在Nano Letters (2018, 18, 6941-6947)上發(fā)表。

　　研究獲國家自然科學(xué)基金、山東省自然科學(xué)基金重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目、中科院青促會(huì)項(xiàng)目的支持。

圖：石墨炔作為主體材料所制備的鈣鈦礦器件結(jié)構(gòu)及光電性能

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