杨培东 Nat. Mater. :热致变色钙钛矿太阳能电池

【引言】

智能窗户可以持续可逆的调节可见光的透过率，常见的变色材料有：热致变色材料、电致变色材料和液晶材料。多数智能窗户只能够简单控制太阳光的吸收和反射，却不能将太阳能转换为可有效利用的能源。如今，越来越多的半透明薄膜光伏器件展现出优异性能，可以作为智能窗户提供遮阳、发光和供能等功能，但是该类光伏材料却没有变色的性能。因此，将具备大色差和高透明度变色材料与具有良好吸光能力的光伏材料组装成多结串联器件，可以制备智能光伏变色窗户。由于每个特定晶体结构的原子排列不同，具有结构相变的材料被发现与光学、电学或热学性质有着本质的联系。大多数半导体不可能可逆地在透明相和非透明相之间切换的同时又保证其电学特性不会发生改变。因此开发一种同时具有变色性能与光伏特性的智能窗户薄膜材料仍然是个难题。

钙钛矿光伏材料的出现为这一难题带来了转机。铯铅碘溴(CsPbI_3-xBr_x)是一种纯无机钙钛矿材料，该材料具有优异的热稳定性和环境稳定性，更为重要的是，该类钙钛矿的晶体结构可以有效的在低温相和高温相之间可逆的转变，且其电学性能能够得到恢复。

【成果简介】

近日，美国加州大学伯克利分校杨培东院士（通讯作者），林佳，赖敏良，窦乐添（共同一作）等人在Nat. Mater.上发表了一篇题为“Thermochromic halide perovskite solar cells”的文章。本文介绍了一种基于无机卤化物钙钛矿铯铅碘溴结构相变的智能光伏窗户。该光伏窗户的太阳能转换效率最高可达7%，并且具有低至105℃的相变温度。该钙钛矿薄膜器件的着色态（对应高温相）和褪色态（对应低温相）的可见光透过率分别是35.4%和81.7%。此外，该器件还被证明具有良好的可重复性。

【图文简介】

图1：无机卤化物钙钛矿的相转变

(a). 钙钛矿高温相与低温相的可逆转变；

(b). 高温相(深色)和低温相(透明)钙钛矿薄膜的照片；

(c-d). 高温相和低温相钙钛矿的粉末XRD谱；

(e). 高温相和低温相钙钛矿薄膜的吸收谱和PL谱；

(f). 在不同湿度条件下测量了钙钛矿薄膜的高温相到低温相相变的时间；

(g). 测试了钙钛矿薄膜100个循环的光吸收的可逆特性；

(h). 经历了100个循环后，高温相和低温相钙钛矿薄膜的XRD谱。

图2：水分引发无机钙钛矿相变的机理分析

(a). 可逆工作机制，将I^-离子从钙钛矿内转移到吸附水薄层；

(b). 从分子动力学角度模拟势垒顶层附近的元素分布（灰色和橙色的铅卤化物子晶格,绿色的是Cs⁺,水中的氢氧分别为白色和红色）；

(c). 空位浓度与相对湿度的对应曲线；

(d). 从高温相转变到低温相所需的自由能；

(e). 低温相与高温相界面的分子动力学模拟；

(f). 平均成核时间与氧空位浓度的函数关系。

图3：相变钙钛矿太阳能电池的表征

(a). 器件结构示意图；

(b). 器件的侧面SEM图；

(c). 铝电极钙钛矿太阳能电池在低温相与高温相下的J-V曲线；

(d). 铝电极钙钛矿太阳能电池在低温相与高温相下的EQE曲线；

(e). 低温相到高温相的相变温度、电池性能与钙钛矿组分的关系；

(f). ITO电极半透明钙钛矿太阳能电池的照片；

(g). 半透明钙钛矿太阳能电池在高温相与低温相下的J-V曲线；

(h). 半透明钙钛矿太阳电池高温相和低温相在不同波长下的透过率，以及ITO的透过率。

图4：相变过程中光伏特性的演化与可逆性

(a). 原位观察钙钛矿太阳能电池效率在相变过程中随着时间的变化曲线；

(b-e). 器件的短路电流(b)、开路电压(c)、填充因子(d)和效率(e)在十个相转变过程中的变化统计图。

【小结】

研究者开发了一种热致变色铯铅碘溴钙钛矿太阳能电池作为智能光伏窗户。通过温度与湿度等条件控制，可以有效实现钙钛矿高温相(低透过率)与低温相(高透过率)的转变，成功地制备出热致变色智能窗户，该器件具有高的热稳定性和完全可逆的颜色和性能。该项技术是建筑物、汽车、信息显示和潜在的其他技术集成的关键。

文献链接：Thermochromic halide perovskite solar cells (Nat. Mater. , 2018, DOI：10.1038/s41563-017-0006-0)

本文由材料人编辑部新能源学术组金也供稿，材料牛编辑整理。

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