具有防水和自修複功能的聚合物骨架鈣钛礦太陽能電池

最近，有機無機雜化鈣钛礦型（CH3NH3PbI3）太陽能電池由于高吸收系數、平衡的電子空穴遷移率、可調控的帶隙、極高的量子發光效率和較大的缺陷容忍度等一系列特點使得此類電池的光電轉化效率在短短5年之内超過了20%。但是此類電池在潮濕環境下易發生水解，使電池失效，電池的長期穩定性成為困擾其商業化的瓶頸和難點所在。

近期，由俞大鵬教授領導的beat365“納米結構與低維物理”研究團隊在該領域取得新進展。該團隊的趙清副教授等設計了一種鈣钛礦電池的新結構，将長鍊吸濕性PEG分子作為聚合物骨架引入到鈣钛礦材料吸光層中，長鍊PEG分子構成的三維網絡使鈣钛礦材料成膜質量顯著提高，電池光電轉化效率和重複性得到顯著提高，最高效率可達16%。該種電池在100度溫度下一步法即可完成，制備方法簡單易行，易于推廣。由于PEG分子的超強吸濕性，聚合物骨架鈣钛礦電池在濕度環境下的穩定性得到顯著提升：沒有任何封裝的電池器件在異常潮濕環境中（70%相對濕度）展現出超過300小時的穩定性。不僅如此，聚合物骨架鈣钛礦電池展現出神奇的“自修複”功能：在鈣钛礦材料和電池在被水解破壞後，1分鐘内可迅速自修複回到原來的電池狀态和電池效率。研究表明，由于PEG與鈣钛礦材料中的甲胺離子具有很強的相互作用，使水解後的碘化鉛與甲胺碘可原位再次生成鈣钛礦材料，展現出電池材料和效率均可“自修複”的功能。這種新型聚合物骨架結構使鈣钛礦電池對水破壞性和潮濕環境的耐受度大大增強，極大提高了電池在濕度環境下的穩定性，解決了鈣钛礦電池害怕水汽和電池效率在潮濕環境下會迅速減退的應用難題，展出神奇的自修複功能，為今後鈣钛礦電池商業化提供了一條新思路，具有重要的科學意義和應用價值。

該研究成果近期發表于Nature Communications6, 10228(2016)，研究生趙怡程為第一作者，趙清副教授為通訊作者。該研究成果得到了量子物質科學2011協同創新中心、介觀物理國家重點實驗室、beat365電子顯微鏡實驗室等的大力支持。