基于水相液面快速生长法MAPbI3晶片的高性能横向钙钛矿电池

本文亮点：

1. 水溶液中生长晶片尺寸的混合钙钛矿多晶体。

2. 本方法晶片具有与块状单晶相当的高结晶度，更宽的光吸收和长载流子复合寿命。

3. 横向结构钙钛矿太阳能电池表现出5.9％的纪录效率。

【前沿部分】

在太阳能电池工业中需要大量的太阳能级单晶或多晶晶片，并且通常由晶锭的自上向下工艺形成，其中切片，抛光和其他加工过程中造成材料和能量的显著浪费。最近，美国北卡罗来纳大学教堂山分校和内布拉斯加大学林肯分校的黄劲松教授团队报道了一种自下而上的钙钛矿晶体生长方法，允许直接从水溶液表面生长晶片尺寸的钙钛矿多晶体。除了节省原材料外，该方法还易于调节厚度和晶体生长速度。生长的晶体尺寸可达厘米级，并显示出高结晶度，宽的光吸收和长的载流子复合寿命，与块状单晶相当。基于这些晶体制成的横向结构钙钛矿太阳能电池表现出5.9％的纪录效率。该文章发表在国际知名期刊Advanced Functional Materials上，博士研究生刘晔和董庆锋博士为共同第一作者。

【核心内容】

通过过饱和度调控，钙钛矿多晶薄膜实现了在水相液体表面的快速生长。不同于当前大量采用的有机溶剂DMF为介质的单晶生长方法，水相法生长具有很好的环境相容性。晶体生长条件可以非常便捷有效的通过控制表面溶液挥发速度。经历了快速密集成核过程以后，外围晶体以平衡的速率向外均匀平稳生长，形成大尺寸单晶片，大尺寸晶片彼此接触进一步形成晶圆级别大尺寸多晶片。相比于之前已报道的单晶生长方法，本方法具有领先的横向生长速度可达3厘米每小时，在大尺寸单晶生长速度中处于领先。                      

图1（a-b）水相多晶片液面生长示意图，（c-d）制得的MAPbI3晶圆级的晶片照片，（e）已报道的晶体生长速度及晶体尺寸统计图。

本方法生长的晶片具有高质量表面及结晶度，晶片显示了单晶衍射性质，及0.06度的窄半峰宽。晶体表面的扫描电子显微镜图像显示晶片具有光滑平整表面及很少的物理缺陷。同时晶片显示了高载流子寿命及大幅红移的吸收光谱，这和已报道的体相单晶相符合。

图2（a-b）晶片的X射线图像及衍射图，（c-e）晶片上下表面及断面的SEM图像。

图3（a）100微米厚的晶片及1微米厚度多晶薄膜的吸收及荧光光谱，（b）对比此液面水相生长法的晶片与此前黄老师组报道的疏水处理基底法限域生长的薄单晶的时间分辨荧光光谱。

基于水相生长钙钛矿多晶片的太阳能电池器件显示了优异的光电性能，我们开发了C60/BCP/金属及金分别为电池负极及正极界面/电极层的横向器件结构，在50微米宽度的电极间距且无电极化处理的情况下实现了5.9% 能量转换效率的记录，为当前钙钛矿单晶横向器件的最高效率。

图4（a）横向单晶器件结构示意图，（b）器件的电流-电压曲线。

材料制备过程

晶体生长：将醋酸铅，甲胺和氢碘酸的混合前驱体溶液加热至100摄氏度，保持完全溶解，之后降温至90度实现过饱和溶液制备。溶液置于烧杯中通过开口程度和液面高度以及底层热台温度来控制挥发速度，晶体经过成核及生长两个步骤在液面生长。一般可以在30分钟内获得厘米级晶片。

器件制备：通过掩模版在单晶表面真空沉积20纳米的C60 / 8纳米的BCP / 50纳米金作为电池负极，间隔50微米沉积50纳米金作为电池正极。实现横向器件太阳能电池的制备。

Ye Liu, Qingfeng Dong, Yanjun Fang, Yuze Lin, Yehao Deng, Jinsong Huang, Fast Growth of Thin MAPbI₃ Crystal Wafers on Aqueous Solution Surface for Efficient Lateral‐Structure Perovskite Solar Cells, Adv. Funct. Mater., 2019, DOI:10.1002/adfm.201807707

推荐阅读：

将『能源学人』添加星标

就能第一时间接收到当天的最新消息

（疯狂暗示）