固體所在高效率鈣鈦礦太陽電池研究方麵提出新思路

  近期 ，中科院合肥研究院固體所能源材料與器件製造研究部潘旭研究員團隊與中科大肖正國教授課題組合作在鈣鈦礦太陽能電池方向取得新進展 。研究人員製備了理想帶隙為1.33 eV的鉛錫混合鈣鈦礦作為太陽能電池吸收層 ，通過定向錨定策略(STA)對鈣鈦礦空位缺陷進行精確鈍化處理 ，獲得了22.51%的光電轉化效率(PCE)記錄 ，有望超越傳統鉛基鈣鈦礦太陽電池 。相關成果以 “Selective Targeting Anchor Strategy Afford Efficient and Stable Ideal Bandgap Perovskite Solar Cells” 為題發表在Advanced Materials (Adv. Mater., 2022, DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202110241)上 。

  目前 ，有機金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)已經取得了巨大突破 ，其最高光電轉換效率提高到25.8%(認證為25.7%) 。而傳統的鉛基鈣鈦礦材料的禁帶寬度在1.5 ~ 1.7 eV範圍內 ，根據Shockley-Queisser (S-Q)模型 ，當吸收層帶隙為1.33 eV時 ，電池具有最高的理論極限效率 。采用Sn部分取代或全部取代Pb可以降低鈣鈦礦帶隙 ，當Sn比例為20%時 ，帶隙能降至理想值1.33 eV左右 。但20% Sn含量是鈣鈦礦帶隙變化的臨界值 ，其中存在大量的缺陷 ，導致非輻射複合造成嚴重的開路電壓損失(VOC loss) 。根據以往的研究 ，造成開路電壓損失的具體原因主要有兩個 ：(1) Sn2+易氧化成Sn4+引起嚴重的自p摻雜 ，形成Sn空位並引入額外的p型電荷 ；(2) Sn與有機組分的反應強於Pb，使得結晶過程過快和不受控 ，導致薄膜質量較差 ，缺陷密度增加 。

  基於此 ，研究人員通過定向選擇錨定策略對鈣鈦礦進行鈍化處理 ，獲得了理想帶隙鈣鈦礦太陽能電池22.51%的光電轉化效率記錄 。研究結果表明 ，鉛錫混合鈣鈦礦太陽能電池中雙金屬的缺陷是導致其性能退化的主要原因 ，因此研究人員采用2-苯乙胺氫碘酸鹽 (PEAI)和乙二胺氫碘酸鹽 (EDAI)作為共修飾劑對鈣鈦礦進行表麵處理 ，分別選擇性錨定與Pb和Sn相關的活性位點並對兩種金屬缺陷進行鈍化 。最終鉛錫混合鈣鈦礦太陽能電池的開路電壓(VOC)從0.79 V大幅提高到0.90 V ，開路電壓的損失降低到0.43 V 。此外 ，器件表現出了極佳的穩定性 ，在氮氣手套箱中存儲2700小時後 ，仍可以保持初始效率的80% 。該工作為鉛錫鈣鈦礦太陽能電池管理金屬雙源缺陷提供了一個有效的鈍化機製 。

  碩士研究生梁政 、博士研究生徐慧芬為該論文的共同第一作者 ，潘旭研究員 、肖正國教授 、葉加久博士為論文的通訊作者 。該工作得到了國家重點研發計劃 、安徽省傑出青年基金等項目的資助 。

  論文鏈接 ： 。

圖1. (a) 不同鈣鈦礦組分的S-Q極限效率和VOC ；(b) 不同Sn含量的鈣鈦礦帶隙和電池效率記錄 ；(c) 器件結構圖及錨定分子的化學結構 ；(d)  STA處理後的SEM表麵和截麵圖 ；(e) 對照組 、EDAI、PEAI和STA器件的正掃和反掃J-V曲線 ；(f) 對照組 、EDAI 、PEAI和STA器件的EQE圖和積分電流圖 。

圖2. 用DFT計算VAPb (a)和VASn (b)的能級深度 ；(c) 對照組 、EDAI 、PEAI和STA的TAS圖 。