钙钛矿“准核壳”结构推动高效太阳能电池稳定性发展

广告位招租

甲胺铅碘钙钛矿自2009年被应用于太阳能电池以来，因为其微米量级的载流子扩散长度、低于室温的激子复合能（< 26 meV）、较高的缺陷态容忍度、低成本的溶液制备方法等，得到了快速发展，目前国际最高光电转化效率已达23.7%。目前，一步反溶剂法制备的三元阳离子混合体系（1.6 eV）钙钛矿电池效率的已经超过20%，但器件的长期不稳定性仍然是制约其发展以及后续商业化的巨大瓶颈。在持续光照、最大功率点稳态输出状态下，器件效率会呈现快速衰减。前期实验证明，在排除了水和氧气的外界影响后，器件的衰减主要来源于光照和钙钛矿薄膜中的离子迁移。在持续工作时，迁移的离子会逐渐累积在器件两端，引发相分离、界面失配、空穴传输层失效等问题。特别对于一个钙钛矿这样一类多晶薄膜体系，晶界被证明是离子迁移的主要通道，所以抑制晶界和表界面的离子迁移是提升钙钛矿稳定性的一个重要切入点。

北京大学物理学院赵清教授课题组针对这一问题取得系列进展。他们通过自主搭建的原位低温恒电流测试装置，提取出不同光强下MA基和Cs基体系钙钛矿的离子迁移激活能，发现MA体系中的光增强离子迁移现象，可以通过Cs离子的取代得以抑制，并在制备的CsPbI2Br电池中取得了1500小时无衰减的超长光照持续工作稳定性。

他们继续以传统的CsFAMA（1.6 eV）钙钛矿成分为出发点，首次报道了该体系的光致相分离现象，并提出了用纯无机CsPbBr3钝化CsFAMA的一步反溶剂法，实现无机CsPbBr3（壳）/CsFAMA（核）的准核壳（quasi core-shell）结构，用纯无机钙钛矿的高稳定性来保护内层的混合阳离子钙钛矿，实现了CsFAMA的高效率与CsPbBr3高稳定性的结合。通过在配置好的CsFAMA前驱体中加入CsPbBr3胶体溶液，使得钙钛矿薄膜退火成核过程中形成了CsPbBr3团簇。通过CsPbBr3团簇体的引入，有效地实现了对本体CsFAMA表界面离子迁移的抑制，钝化了缺陷态，增大了载流子的复合寿命。

图1 (a) 钙钛矿薄膜制备过程和薄膜晶粒微观结构示意图 (b) 球差校正电镜中元素分布表征 (c) 无机钙钛矿团簇形成示意图。

基于此方法和结构制备得到的平面异质结型钙钛矿太阳能电池光电转换效率达到20.1%，开路电压达到1.195 V，开压损失降低到了0.42 V。器件在长时间稳定性方面表现也得到大幅提高，在AM1.5G太阳光下保持在最大功率点持续工作500小时后，仍然保持90%的初始效率。同时在65 ℃下，器件保持在最大功率点持续工作100小时仍能保持90%的初始效率，这时目前平面型器件高温并同时持续工作稳定性的最长报道记录。该工作为用无机钙钛矿在抑制离子方面提供了依据，同时也为发展“核壳”结构的钙钛矿薄膜提供了新的思路。纯无机钙钛矿/混合阳离子钙钛矿“核壳”结构既可以维持电池高效率，又可以大幅提升电池光照下持续工作稳定性和光热稳定性，对钙钛矿太阳电池的进一步发展起到了推动作用。

图2 (a) 器件持续光照最大功率点持续输出的稳定性 和 (b) 65℃下器件持续光照最大功率点持续输出的稳定性测试。

这一成果近期发表在Advanced Functional Materials 上，文章的第一作者是北京大学博士研究生周文可。

科研思路分析

Q：这项研究的最初目的是什么？或者说想法是怎么产生的？

A：如上所述，我们的研究兴趣是研究开发具有高效率高稳定性的钙钛矿太阳能电池。钙钛矿太阳能电池最近6年飞速发展，效率提升很快，但是不稳定性问题是将它广泛应用于光电器件的主要限制因素。我们的目标就是通过抑制钙钛矿本体内的离子迁移，减缓或者消除离子迁移及其对薄膜和器件带来的影响，提升稳定性。根据我们之前的发现，无机钙钛矿的光热稳定性优异，但是效率低，而有机钙钛矿的效率高稳定性差，所以把两者的优点相结合，形成互补，是课题组最初的想法。

Q：在研究中过程中遇到的最大挑战在哪里？

A：本项研究中最大的挑战是如何通过溶液方法引入无机钙钛矿晶体，找到最优的掺杂含量，以获得完整的、具有优异性能的电池器件。此外，在钙钛矿薄膜表征方面，利用球差校正电镜获取成功引入无机钙钛矿的证据，是十分关键的一环。

Q：本项研究成果最有可能的重要应用有哪些？哪些领域的企业或研究机构最有可能从本项成果中获得帮助？

A：这项工作可以为钙钛矿电池中“核壳”结构的发展提供新的思路，因为当核壳均为钙钛矿时，晶体中的载流子传输不会受到晶格失配的限制，并且可以最大程度的抑制表界面的离子迁移，提升高效钙钛矿电池的光照持续工作稳定性，为钙钛矿电池的商业化和大面积制备奠定基础。

来源：光伏

往期精彩内容回顾

点“阅读原文”报名第六届光伏聚合物国际大会