中科院上海應用物理研究所Nano Energy: 鈣鈦礦薄膜表面結晶晶相優化

【引言】

近年來，鈣鈦礦太陽能電池以其更加清潔、便于應用、制造成本低和效率高等顯著優點，迅速成為國際上科研和產業關注的熱點。要實現此類器件的市場化應用需要進一步解決鈣鈦礦薄膜質量難以控制、缺陷態密度高以及器件遲滯效應等一系列問題，特別是研究表明鈣鈦礦晶體結構中的微小缺陷會妨礙光能轉化為電能，是限制鈣鈦礦太陽能電池轉化效率和穩定性的關鍵因素。

【成果簡介】

近日，中國科學院上海應用物理研究所高興宇研究員（通訊作者）、楊迎國助理研究員（第一作者）、馮尚蕾副研究員（共一）和蘇州大學李萌博士（共一）等開發出一種新型鈣鈦礦薄膜表面鈍化工藝，極大減少鈣鈦礦薄膜特別是其表面的微小缺陷，大幅提升甲胺鉛碘（MAPbI₃）基器件的光電效率達到19.94%，相關研究結果以 “Enormously improved CH₃NH₃PbI₃ film surface for environmentally stable planar perovskite solar cells with PCE exceeding 19.9%” 為題發表在該領域國際權威期刊Nano energy 上。研究人員利用上海光源BL14B衍射線站的表面衍射觀測到傳統反溶劑方法制備的鈣鈦礦薄膜表面結晶呈現多重孿晶，是制約其器件光電轉換效率和穩定性的關鍵因素。鑒于此，他們開發了一種“缺陷快速補償”工藝，即在鈣鈦礦薄膜制備中的反溶劑處理環節添加鹵素源碘化氫，采用多種同步輻射和常規表征技術實驗研究證明鈣鈦礦薄膜表面結晶得到有效鈍化，呈現出純相結晶、無針孔、化學元素分布均一、表面勢分布梯度小等優點，從而大幅提升甲胺鉛碘基鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率及器件在濕度、加熱條件下的環境穩定性。有趣的是，采用該工藝制備的柔性鈣鈦礦太陽能電池在外應力環境下也能保持很高的性能穩定性，而進一步的同步輻射原位拉伸實驗證實這與薄膜表面晶粒的緊密絞聯、缺陷大幅較少密切相關。文章最后從占位化學的角度揭示其反應機制。

【圖文導讀】

圖1 鈣鈦礦薄膜鈍化工藝及器件光電轉化性能

a) “缺陷快速補償”工藝流程圖；b-f）HI添加比例選擇及器件J-V輸出；g）器件SEM截面。

圖2 鈣鈦礦薄膜微結構的同步輻射掠入射XRD表征

a)和c）參考鈣鈦礦薄膜表面和體的同步輻射掠入射二維XRD圖；b)和d）添加1.25 vol%氫碘酸處理后的鈣鈦礦薄膜表面和體的同步輻射掠入射二維XRD圖；e-i）薄膜的結晶、晶面擇優取向及晶面堆疊情況對比分析。

圖3 優化前后鈣鈦礦薄膜表面形貌、元素分布、表面勢分布情況

a-b) 添加1.25 vol%氫碘酸優化處理前后鈣鈦礦薄膜的SEM表面形貌對比；c-f）添加1.25 vol%氫碘酸優化處理前后鈣鈦礦薄膜的電子探針分析；g-h）添加1.25 vol%氫碘酸優化處理前后鈣鈦礦薄膜的SKPM分析。

圖4 優化前后鈣鈦礦薄膜和器件的環境穩定性對比

a-d) 添加1.25 vol%氫碘酸優化處理前后鈣鈦礦薄膜在濕度環境下的同步輻射XRD測試及相轉變分析；e-f）薄膜SEM表面形貌對比；g）優化處理前后的器件效率衰減對比。

圖5 優化前后的柔性鈣鈦礦薄膜和器件的機械穩定性對比

a-b）添加1.25 vol%氫碘酸優化處理前后柔性鈣鈦礦太陽能電池的性能隨外加載力的演化對比；c）柔性鈣鈦礦太陽能電池的同步輻射原位拉伸XRD實驗裝置；d-g）優化處理前后柔性鈣鈦礦太陽能電池的內部的鈣鈦礦晶體結構隨外加載力的演化對比。

【小結】

研究人員通過“缺陷快速補償”法制備出了高質量的鈣鈦礦薄膜，即單相結晶、無針孔、化學元素分布均一、表面勢分布梯度小等，將甲胺鉛碘鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率提升至19.94%，并且器件的濕度、熱及力學穩定性也得到大幅提升。該工作將為鈣鈦礦太陽能電池的產業化提供重要的實驗和理論支撐，也有助于可穿戴柔性器件的開發。

【致謝】

該研究得到了國家自然科學基金項目、國家重點研發項目、中科院百人計劃項目、上海材料基因組項目等的資助，同時感謝蘇州大學廖良生（王照奎）教授、孫寶全教授、馬萬里（袁建宇）教授三個課題組的幫助，感謝上海光源BL14B1衍射線站、合肥同步輻射光源、北京同步輻射光源等提供的實驗機時。

文章鏈接: Enormously improved CH₃NH₃PbI₃ film surface for environmentally stable planar perovskite solar cells with PCE exceeding 19.9%（Nano energy ，2018, 48, 10-19）

本文由中國科學院上海應用物理研究所高興宇研究員課題組供稿。

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