暨南大學麥耀華團隊Adv. Energy Mater.：一步刮涂法構筑2D/3D層狀異質結提升大面積鈣鈦礦光伏性能和穩定性

【引言】

有機-無機鹵化物鈣鈦礦因其具有帶隙可調，吸光系數高，優異的載流子傳輸性能以及可溶液加工等優點，是一種極具應用前景的光伏材料。經歷短短十年的發展，鈣鈦礦太陽能電池的能量轉化效率已由最初的3.8%提升至當前的25.2%。然而，在鈣鈦礦太陽能電池效率穩步提升的同時，鈣鈦礦對光、熱和水氧的穩定性問題已經成為其產業化進程的瓶頸。構筑2D/3D異質結鈣鈦礦被證明是一種提高器件環境穩定性的有效策略。此外，開發涂布印刷和大面積結晶工藝實現大面積鈣鈦礦薄膜和組件的制備也是其產業化道路上亟需解決的一個挑戰。

【成果簡介】

近日，暨南大學新能源技術研究院麥耀華團隊在構筑2D/3D層狀異質結鈣鈦礦太陽能電池領域取得重要進展，研究成果以“Spontaneously Self-Assembly of a 2D/3D Heterostructure Enhances the Efficiency and Stability in Printed Perovskite Solar Cells”為題發表在Advanced Energy Materials（AEM）上。新能源技術研究院博士后胡金龍和鄭州大學聯合培養碩士研究生王川為共同第一作者，麥耀華教授和郭飛研究員為文章通訊作者。

【文章亮點】

與前期文獻廣泛報道的兩步法旋涂制備工藝不同，作者首次實現基于自組裝一步刮涂法制備2D/3D異質結MAPbI₃鈣鈦礦。得益于大尺寸分子S-芐基-L-半胱氨酸（SBLC）的兩親性結構以及其獨特的溶解性行為，通過一步刮涂結合真空淬滅結晶策略，一薄層2D鈣鈦礦完美地自組裝覆蓋在3D鈣鈦礦表面。表面2D層鈣鈦礦有效的鈍化3D鈣鈦礦的表面缺陷，抑制了非輻射復合，大幅提升了電池的開路電壓。小尺寸（0.09 cm²）2D/3D鈣鈦礦太陽能電池開路電壓相比于3D鈣鈦礦器件提高了 100 mV，高達1.2 V。此外，基于刮涂法制備的2D/3D串聯模組（活性面積10.08 cm²）效率達到了15.38%，子電池平均開路電壓高達1.17 V，是目前子電池電壓最高的鈣鈦礦組件。同時，2D/3D鈣鈦礦器件表現出更好的光、熱以及濕度穩定性。

【圖文導讀】

? 圖1一步刮涂2D/3D層狀鈣鈦礦及形貌研究

圖（a）為SBLC分子結構；

圖（b）為一步刮涂法制備2D/3D異質結鈣鈦礦過程示意圖；

圖（c）和（d）分別為3D?和2D/3D鈣鈦礦的SEM照片；

圖（e）和（f）分別為3D?和2D/3D鈣鈦礦的橫截面SEM照片。

圖2：2D/3D層狀異質結微觀結構

圖（a）和（b）為3D?和2D/3D鈣鈦礦的XRD譜圖；

圖（c）3D?和2D/3D鈣鈦礦的紫外吸收光譜圖；

圖（d）和（e）2D/3D鈣鈦礦的TEM照片；

圖（f）2D/3D鈣鈦礦的晶體結構示意圖。

圖3：2D/3D層狀異質結電池光伏性能

圖（a）為反式鈣鈦礦太陽能電池結構示意圖；

圖（b）為3D?和2D/3D鈣鈦礦器件的J-V曲線；

圖（c）為50個3D?和2D/3D鈣鈦礦器件的VOC統計柱狀圖；

圖（d）為3D?和2D/3D鈣鈦礦器件的EQE曲線；

圖（e）為連續光照下3D?和2D/3D鈣鈦礦器件VOC隨時間變化的曲線；

圖（f）為2D/3D鈣鈦礦器件的SPO曲線。

圖4：基于2D/3D異質結鈣鈦礦大面積模組

圖（a）為四節子電池串聯的鈣鈦礦組件（活性面積為10.08cm-2）照片及對應的J-V曲線（b）。

課題組研究方向和進展：大面積鈣鈦礦的印刷制備和全無極鈣鈦礦是我們團隊在鈣鈦礦電池領域的兩個重點研究方向。在過去一年里，課題組在鈣鈦礦薄膜太陽電池印刷工藝開發、Sn-Pb混合鈣鈦礦印刷制備以及高效全無機鈣鈦礦模組制備方面取得的主要進展：（1）基于二步法印刷制備鈣鈦礦太陽電池：通過合理的溶劑選擇和真空輔助結晶工藝制備具有孔狀結構的碘化鉛（PbI₂），實現了鈣鈦礦薄膜結晶性和薄膜形貌的精細調控（Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1900964）。（2）開發了具有普適性的室溫下一步刮涂法制備大面積鈣鈦礦薄膜的印刷工藝（Adv. Sci. 2019, 6, 1901067）。基于此工藝，首次實現窄帶隙Sn-Pb混合鈣鈦礦的印刷制備（Nano Energy 2019, 66, 104099）。（3）高效全無機鈣鈦礦：利用雙摻雜的方式對C₆₀電子傳輸層進行調制，有效降低了太陽電池器件的開路電壓（V_OC）損失，首次報道了基于無鈣鈦礦材料的太陽電池模組，效率超過12%（Adv. Mater.?2020, 32, 1907361）。

文章鏈接：https://doi.org/10.1002/aenm.202000173