中國團隊突破鈣鈦礦太陽電池壽命難題
業(yè)內(nèi)消息，近日中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院固體物理研究所、中國科學院光伏與節(jié)能材料重點實驗室潘旭研究員和田興友研究員團隊與韓國成均館大學 Nam-Gyu Park 教授、華北電力大學戴松元教授合作，成功在反式鈣鈦礦太陽電池研究方面取得新突破。
據(jù)悉，該研究首次發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦陽離子面外分布不均勻是影響電池性能的主要原因，并通過設計 1-（苯磺?；┻量?span>PSP）作為添加劑均勻化鈣鈦礦薄膜相分布，獲得了 26.1% 的光電轉換效率（PCE）。相關成果發(fā)表于《自然》（nature）雜志上。
據(jù)介紹，鈣鈦礦太陽電池是利用鈣鈦礦型的有機金屬鹵化物半導體作為吸光材料的太陽能電池，屬于新型太陽能電池，傳統(tǒng)的界面鈍化及結晶調(diào)控方法很大程度上推動了電池效率的提升，但近年來相關研究中該電池效率的提升速度明顯放緩，相關研究遇到了“瓶頸”。
科研人員發(fā)現(xiàn)，鈣鈦礦薄膜內(nèi)往往不可避免地會發(fā)生相分離現(xiàn)象，研究團隊前期工作表明有效管理鹵素相分離有助于提高器件性能。高效率鈣鈦礦材料往往通過采用純碘體系下的陽離子摻雜組分獲得，尤其是 FA1-xCsxPbI3 體系，不同的陽離子組分在鈣鈦礦體相面外方向的分布對鈣鈦礦體相載流子擴散及界面抽取至關重要。
深入研究陽離子面外方向分布，不但有助于理解鈣鈦礦體相載流子動力學過程，更有望推動鈣鈦礦太陽電池效率的進一步提升。但是鈣鈦礦體相的不同陽離子組分分布、以及影響電池穩(wěn)定性和效率損失的原因目前尚不清楚。
基于此，研究團隊從 FA1-xCsxPbI3 體系出發(fā)，通過元素定量分析研究了甲脒（FA）與銫（Cs）陽離子的縱向分布，結合飛行時間二次離子質(zhì)譜（ToF-SIMS）與 X 射線光電子譜（XPS），深度剖析發(fā)現(xiàn)無機 Cs 陽離子傾向于沉積在薄膜底部，有機 FA 陽離子在薄膜上界面處富集。在此基礎上，研究團隊對鈣鈦礦薄膜晶相分布進行了深度剖析，通過掠入射 X 射線衍射（GIXRD）與薄膜截面的透射電鏡（TEM）分析，證明了在薄膜底部存在面間距較小的晶相，并且在薄膜底部顯示出與富 Cs 鈣鈦礦相關的特征信號。這些實驗充分說明陽離子面外方向的梯度不均勻分布，這也是首次可視化驗證了鈣鈦礦薄膜的陽離子組分在面外不均勻分布。
研究團隊通過原位試驗方法進一步分析了這種梯度不均勻分布的原因，發(fā)現(xiàn)不同陽離子在結晶及相轉變過程中的速率差過大是導致組分不均勻的主要原因。進而，團隊設計了 PSP 分子以彌補不同陽離子間的結晶與相轉速率差，制備出均勻化的鈣鈦礦薄膜。這種陽離子組分均勻分布的鈣鈦礦薄膜有效抑制了由底部富 Cs 相帶來的準 I 型能級排列，極大程度上提升了載流子壽命及擴散長度，加強了載流子界面抽取。
研究團隊利用 PSP 策略制備的反式鈣鈦礦太陽電池獲得了 26.1% 的最高效率，認證效率為 25.8%。此外，經(jīng) 2500 小時最大功率電追蹤后（MPPT），未封裝的器件仍保持其初始 PCE 的 92% 的可靠運行穩(wěn)定性。
該研究工作表明，通過均勻化鈣鈦礦組分面外分布可獲得優(yōu)異電池性能，開辟了提升電池器件穩(wěn)定性的新途徑，有望打破鈣鈦礦太陽電池的效率瓶頸，為進一步提升高效、穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽電池提供了明確的方向，對推動 PSCs 走向商業(yè)化發(fā)展具有重要意義。
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