寧波材料所在倒置結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽能電池研究方面取得重要進展
鈣鈦礦以其長的載流子擴散長度、長的載流子復(fù)合壽命和寬的吸收范圍，已經(jīng)成為低成本和高性能太陽能電池的潛在材料。經(jīng)過十多年的發(fā)展，單結(jié)鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率已提高至25%以上，為太陽能電池產(chǎn)業(yè)的升級轉(zhuǎn)型提供了新途徑。因倒置平板結(jié)構(gòu)器件具有可低溫制備、可忽略的遲滯效應(yīng)、高穩(wěn)定性的特性，并可以制備成疊層電池，所以其備受重視。然而由于鈣鈦礦材料的多晶性和離子特性，鈣鈦礦中存在大量導(dǎo)致離子遷移和載流子非輻射復(fù)合的缺陷，且缺陷是水/氧滲透的主要通道，會顯著降低鈣鈦礦薄膜甚至器件的穩(wěn)定性。
前期，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所有機光電材料與器件團隊在葛子義研究員的帶領(lǐng)下通過薄膜形貌調(diào)控、載流子傳輸層修飾和新型二維鈣鈦礦材料設(shè)計（Angew. Chem.Int. Ed. 2023, 62, e2022175; Adv. Funct. Mater. 2023, 2301956; Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2101416；Adv. Funct. Mater. 2022, 10, 2210600；Infomat 2022, e12379；Nano Energy 2022, 93, 106800；Energy Environ. Sci. 2022, 15, 3630）等手段，大幅提升了鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩(wěn)定性。然而，鈣鈦礦中的缺陷和光誘導(dǎo)引起的相分離將顯著降低鈣鈦礦太陽能電池的性能和穩(wěn)定性。為了解決這一問題，團隊基于添加劑工程，利用可變形添加劑優(yōu)化前驅(qū)體溶液膠體尺寸分布，增大鈣鈦礦薄膜晶粒尺寸，釋放晶界殘余應(yīng)力，鈍化鉛、碘和有機陽離子缺陷，抑制光誘導(dǎo)引發(fā)的相分離。此外，添加劑還可優(yōu)化鈣鈦礦能級，從而促進載流子提取/傳輸，減少陷阱輔助復(fù)合。通過該方法制備的鈣鈦礦太陽能電池的性能得到大幅度提升，基于富溴鈣鈦礦(FA0.88Cs0.12PbI2.64Br0.36) 和貧溴鈣鈦礦(FA0.96Cs0.04PbI2.8Br0.12)的器件分別獲得了23.18%和24.14%的最佳效率，并且基于貧溴鈣鈦礦的柔性鈣鈦礦太陽能電池也獲得了23.13%的出色效率，是迄今為止報道的柔性鈣鈦礦太陽能電池的最高值之一。這項工作為添加劑工程中鈍化缺陷、應(yīng)力消除和抑制相分離提供了新的見解，為開發(fā)最先進的太陽能電池提供了可靠方法。
相關(guān)成果以“A Deformable Additive on Defects Passivation and Phase Segregation Inhibition Enables the Efficiency of Inverted Perovskite Solar Cells over 24%”為題發(fā)表在國際知名期刊Advanced Materials（http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202302752）上。寧波材料所博士后謝莉莎、碩士生劉健為共同第一作者，寧波材料所葛子義研究員和劉暢研究員為該論文的通訊作者。上述工作得到國家杰出青年基金（21925506）、國家自然科學(xué)基金（U21A20331、81903743、22279151、22209192、62275251）和博士后面上項目（2022M713242）等項目的支持。
圖 (a)添加劑與鈣鈦礦相互作用示意圖；(b)剛性鈣鈦礦太陽能電池J-V特性曲線；(c)柔性鈣鈦礦太陽能電池器件結(jié)構(gòu)及J-V特性曲線
（新能源所 謝莉莎）