【人物与科研】中科院化学所宋延林研究员课题组与澳门大学邢贵川教授课题组：大面积二维-三维钙钛矿太阳能电池的制备

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导语

二维钙钛矿具有较高的环境稳定性及高效的抑制离子迁移性，已被广泛应用于太阳能电池领域。然而，由于自然条件下的二维钙钛矿是由不同n值的准二维钙钛矿组成，导致了不同程度的量子限域作用，极大地限制了光生载流子的传输。近日，中国科学院化学研究所宋延林研究员课题组与澳门大学邢贵川教授课题组合作，采用纯相的二维钙钛矿（EDBEPbI₄）与三维钙钛矿相结合，有效地克服了多维量子阱限域作用，极大提高了载流子传输性能，并成功地应用于二维-三维横向异质结的大面积太阳能电池，获得了高效稳定的模块化组件。相关成果发表于Adv. Mater.（DOI: 10.1002/adma.201805323）上。该工作的第一作者是中国科学院化学研究所博士生李鹏伟。

宋延林研究员课题组简介

宋延林研究员课题组主要从事有机光电信息功能材料、聚合物光子晶体与纳米绿色打印印刷材料与技术的研究。课题组已在Nat. Commun., Sci. Adv., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Small, Nano Energy等学术刊物上发表论文300余篇。

前沿科研成果

大面积二维-三维

钙钛矿太阳能电池的制备

2018年以来，三维钙钛矿太阳能电池效率已经突破23%，可以与晶硅太阳能电池相媲美。然而，电池的稳定性依然面临巨大考验。二维钙钛矿以其超高的化学稳定性为钙钛矿太阳能电池的应用提供了机遇。自然条件下的二维钙钛矿，由于长链配合物的存在，形成了具有多维量子阱效应的准二维相分离结构，制约了光生载流子的传输。因此，以二维钙钛矿作为光吸收层的太阳能电池，其效率远低于三维钙钛矿。因此，克服高效率与高稳定性之间的矛盾是实现钙钛矿电池产业化应用的必经之路。

近日，中国科学院化学研究所宋延林研究员课题组与澳门大学邢贵川教授课题组合作，采用二维钙钛矿微晶掺入三维钙钛矿中的方法，克服了二维钙钛矿的多维量子阱限域作用，成功获得了纯相二维-三维钙钛矿横向异质结。由于本实验采用的二维钙钛矿具有双胺（2,2-(ethylenedioxy)bis(ethylammonium)）结构，暴露在晶体外的双胺分子与三维钙钛矿中的有机阳离子MA⁺发生相互作用，使得二维钙钛矿有效地镶嵌在三维钙钛矿晶界处。同时，这种相互作用可以使得钙钛矿结晶变慢，容易获得大晶粒尺寸的钙钛矿（图1）。

图1. 纯相二维钙钛矿微晶对三维钙钛矿性能影响的表征

（来源：Adv. Mater.）

作者通过瞬态吸收光谱发现，这种二维钙钛矿并不会与三维钙钛矿通过范德华力形成准二维钙钛矿的多维量子阱结构，这样可以有效避免载流子在传输过程中由于量子限域作用带来的不利影响。计算结果表明，这种二维-三维的钙钛矿薄膜中的光生载流子的寿命提高了4倍，扩散长度提高了3倍（图2）。

图2. 不同薄膜的瞬态吸收和载流子寿命及扩散长度的计算

（来源：Adv. Mater.）

同时，作者通过空间电荷限制电流法测得空穴陷阱态密度从6.2±0.5×10¹⁵ cm^-3减小到了2.8±0.3×10¹⁴ cm^-3，电子陷阱态密度从4.4±0.5×10¹⁵ cm^-3减小到2.9±0.3×10¹⁴ cm^-3，因此这种二维-三维钙钛矿薄膜载流子迁移率提高了10倍。作者还发现这种钙钛矿薄膜具有统一的表面电势，这也为载流子在界面处的进一步分离提供了有利条件（图3）。

图3. 缺陷态密度及表面电势的测定

（来源：Adv. Mater.）

利用这种二维-三维钙钛矿薄膜制备出的太阳能电池效率高达21.06%，利用印刷技术制备出的大面积（342 cm²）钙钛矿器件光电转换效率为11.59%。这种模块化太阳能电池经过3000小时自然条件下的老化，效率损失在10%以内；其在500小时持续光照条件下也表现出了很强的稳定性，没有明显衰减（图4）。

图4. 器件光电性能及稳定性

（来源：Adv. Mater.）

往期报道回顾

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