山東大學陳召來團隊Adv. Funct. Mater.：單晶鈣鈦礦太陽能電池的發展和前景

【引言】

在過去的10年里，鈣鈦礦太陽能電池的效率已經提高到25.2%，得益于金屬鹵化物鈣鈦礦材料的優越性質。與目前廣泛研究的多晶薄膜相比，無晶界的單晶鈣鈦礦具有更好的光電性質和穩定性，理論上能夠獲得更高光電效率和穩定的太陽能電池。此外，單晶鈣鈦礦太陽能電池是進一步研究鈣鈦礦材料界面和晶界工作原理的一個極好的模型系統。不幸的是，只有少數團隊參與了單晶鈣鈦礦太陽能電池的開發；目前，該領域的發展遠遠落后于其多晶對應領域。因此，迫切需要一篇討論單晶鈣鈦礦太陽能電池的最新發展和挑戰的綜述報告，為這一新興領域提供指導。

【成果簡介】

近日，在山東大學陳召來教授（通訊作者）帶領下，與曲阜師范大學合作，總結了鈣鈦礦單晶太陽能電池的發展和前景。具體介紹了單晶鈣鈦礦的優點，鈣鈦礦單晶薄膜（SCTF）的各種生長方法的最新研究進展以及太陽能電池的制備方法。隨后，詳細介紹了單晶鈣鈦礦太陽能電池的挑戰和建議的解決方案，包括界面陷阱電荷鈍化和體陷阱電荷鈍化、SCTF與襯底的接觸、厚度控制、組件和設備接口工程以及大面積制造。相關成果以題為“Single Crystal Perovskite Solar Cells: Development and Perspectives”發表在了Adv. Funct. Mater.上。

【圖文導讀】

圖1?單晶鈣鈦礦的光學性質

a）甲基銨三碘化鉛（MAPbI₃）材料的的直接帶隙躍遷、間接帶隙躍遷及吸收系數示意圖。

b）MAPbI₃單晶和多晶薄膜的歸一化吸收光譜。

c）計算出MAPbI₃單晶太陽能電池的J_sc，V_oc和PCE對單晶薄膜厚度（SCTF）的理想依賴關系。

?圖2 單晶鈣鈦礦的電學性質

a）空穴專用MAPbI₃單晶器件的電流-電壓曲線。

b）逆溫結晶法生長的MAPbI₃單晶的瞬態吸收。

c）MAPbI₃(Cl)單晶的瞬態光伏曲線。

d）頂部籽晶熔鹽法生長MAPbI₃單晶的時間分辨微波電導率結果。

e）鈣鈦礦太陽能電池的器件效率模擬結果與晶粒尺寸和表面鈍化的關系。

圖3 單晶鈣鈦礦的穩定性

a）儲存在85%濕度下不同時間的MAPbI₃多晶薄膜的照片。在不同的退火時間下，采用兩步擴散法制備了薄膜。

b）未經封裝在空氣中儲存2年以上的MAPbI₃單晶照片。

c）掃描滲透電子顯微鏡（STEM）/能譜X射線能譜（EDS）研究水分與鈣鈦礦晶界的快速滲透/反應。

d）在電極化后通過掃描電子顯微鏡（SEM）和EDS觀察到，元素在晶界處重新分布。

圖4 MAPbBr₃?SCTF的整個晶體生長過程

a）MAPbBr₃?SCTF的照片和橫截面SEM圖像，以及整個晶體生長過程的圖示。

b）不同前體濃度的MAPbBr₃?SCTF厚度的統計直方圖。

c）（002）衍射的搖擺曲線，其半峰全寬為0.040°。 為了比較，還顯示了MAPbBr₃塊狀單晶的搖擺曲線。

圖5?空間限制法生長鈣鈦礦SCTF的示意圖

a）空間限制法生長鈣鈦礦SCTF的示意圖。兩個平板載玻片被兩個墊片隔開，形成一個微型反應器。

b）微型反應器的照片；不同厚度和形狀的MAPbI₃?SCTF的照片和橫截面SEM圖像；使用常規方法生長MAPbI₃單晶的照片。

c）MAPbI₃?SCTF的XRD、搖擺曲線、吸收和空間電荷限流表征。

d）使用空間限制法生長MAPbBr₃?SCTF的示意圖；光致發光和吸收，空間‐電荷‐限流特性生長的MAPbBr₃?SCTF的照片。

e）使用空間限制方法生長的MAPbBr₃，MAPbI₃，MAPbCl₃?SCTF的SEM圖像。

f）各種厚度的MAPbB_r3?SCTF的原子力顯微鏡（AFM）截面輪廓和3D圖像； SCTF厚度與施加壓力之間的非線性關系。

圖6?疏水界面晶體局部橫向生長方法的生長機理

a）疏水界面晶體局部橫向生長方法的生長機理。利用親水和疏水基團在有限空間內進行離子擴散過程的示意圖和照片。

b）不同厚度的MAPbI₃?SCTF的照片和橫截面SEM圖像。

圖7鈣鈦礦SCTF種子印刷的示意圖

a）鈣鈦礦SCTF種子印刷的示意圖。首先，使用噴墨印刷方法制造鈣鈦礦種子印記。其次，將制備的種子印記用鈣鈦礦溶液覆蓋在目標襯底上，隨著溶劑的干燥，鈣鈦礦SCTF在原位生長。

b）用于鈣鈦礦SCTF生長的圖案化鈣鈦礦種子的光學圖像。比例尺：100 μm。

c）鈣鈦礦種子在石英玻璃上生長24小時的照片。比例尺：100 μm。

圖8?單晶薄晶圓切片工藝示意圖

a）單晶薄晶圓切片工藝示意圖。FAPbI₃母體單晶和獲得的SCTF的照片。

b）線切割和機械拋光后濕法蝕刻制備MAPbI₃?SCTF的示意圖。

c）MAPbI₃?SCTF的橫截面SEM圖像，厚度為15到125 μm。

圖9?通過表面張力輔助生長法生長鈣鈦礦SCTF的機理示意圖

a）通過表面張力輔助生長法生長鈣鈦礦SCTF的機理示意圖。

b）MAPbBr₃，MAPbI₃和MASnBr₃?SCTF的厚度為5-10 μm的照片及c）俯視圖和截面SEM圖像。

圖10?單晶鈣鈦礦太陽能電池的性能表征

a）ITO/MAPbBr₃/Au和FTO/TiO₂/MAPbBr₃/Au結構的MAPbBr₃單晶太陽能電池的能帶排列、暗和亮電流密度-電壓（J-V）曲線、外量子效率（EQE）和內量子效率（IQE）曲線。

b）2塊MAPbBr₃單晶太陽能電池和2塊多晶太陽能電池的穩定性測試。

c）MAPbBr₃單晶太陽能電池的橫截面SEM圖像、在AM 1.5光照下的J-V曲線和EQE曲線。

圖11?MAPbI₃單晶太陽能電池的性能表征

a-c）MAPbI₃單晶太陽能電池的a）器件結構，b）在不同掃描方向上的J?V曲線，及c）穩定的J_sc和PCE。

d-h）一流的MAPbI₃單晶太陽能電池的d）橫截面SEM圖像，e）能級圖，f）不同掃描方向下的J-V曲線，g）EQE曲線和積分J_sc，及h穩定的J_sc和PCE。所有過程均在手套箱中進行。

i）相同器件結構的最佳MAPbI₃單晶和多晶太陽能電池的J-V曲線比較。

圖12?MAPbI₃單晶太陽能電池的器件

a,b）基于自上而下法的MAPbI₃單晶太陽能電池在不同掃描方向上的a）器件結構和b）J-V曲線。

c,d）最佳(FAPbI₃)_0.85(MAPbBr₃)_0.15單晶太陽能電池的c）能級圖和d）J-V曲線。

圖13?鈣鈦礦單晶太陽能電池的器件結構及影響器件性能的關鍵因素

【小結】

綜上所述，近3年來，單晶鈣鈦礦太陽能電池在SCTF生長和效率提高方面發展迅速。關于鈣鈦礦太陽能電池的最新報告顯示，這些材料有潛力進一步提高鈣鈦礦太陽能電池的效率，但這些材料仍然面臨著界面陷阱電荷、厚度控制、界面工程、大面積制造等挑戰。除了更高的效率和更好的穩定性外，單晶鈣鈦礦太陽能電池為進一步研究鈣鈦礦界面和晶界的工作原理提供了一個出色的模型系統。因此，單晶鈣鈦礦太陽能電池應該受到與多晶鈣鈦礦太陽能電池同等的關注。考慮到鈣鈦礦的優異的光電性能和穩定性，預計在不久的將來，單晶鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩定性將超過多晶太陽能電池。然而，更高的效率和更好的穩定性僅僅是多晶太陽能電池優化的一個上限。相比之下，大面積的制造策略，尤其是滿足工業標準的制造策略，對于實現單晶鈣鈦礦太陽能電池的實際應用更為重要。高質量、大面積的鈣鈦礦SCTFs的簡單制造無疑將使單晶鈣鈦礦太陽能電池成為未來光伏應用的絕佳替代品。

文獻鏈接：Single Crystal Perovskite Solar Cells: Development and Perspectives（Adv. Funct. Mater.，2019，DOI:10.1002/adfm.201905021）

本文由木文韜翻譯，材料牛整理編輯。

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