黃維-秦天石團隊Nature Communications:鈣鈦礦電池遇見榫卯結構

• 【導讀】

鈣鈦礦太陽能電池發展迅速，其效率在短短幾年內迅速逼近商用單晶硅太陽能電池。進一步提升鈣鈦礦太陽能電池效率的關鍵在于優化鈣鈦礦的晶體質量并解決不同種電荷抽取不平衡的難題。 ?

• 【成果掠影】

近日，南京工業大學黃維院士和秦天石教授團隊在Nature Communications上發表了新的研究論文，創新性的將榫卯結構引入鈣鈦礦太陽能電池，不僅有效地降低了鈣鈦礦中的缺陷濃度同時也增大了空穴傳輸層（HTL）與鈣鈦礦的接觸面積，從而大幅提升了鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩定性。在本項研究中，作者將具有模板作用的熱聚合物添加劑（N-乙烯基吡咯烷酮，NVP）與常用HTL/氯苯旋涂工藝結合，不僅有效去除了鈣鈦礦薄膜中的雜相并獲得了具有大晶粒尺寸（~1 μm）的鈣鈦礦薄膜。更重要的是，該種方法可以在鈣鈦礦和HTL之間構建類似榫卯結構，從而優化電荷傳輸性能。具有該種榫卯結構的器件的開路電壓、短路電流和填充因子均優于參比器件（榫卯：1.195 V，25. 77 mA，80.19%。參比：1.151 V，25.21 mA，78.94%）。此外，榫卯結構器件的光電轉換效率更是高達24.69%。同樣值得強調的是，具有榫卯結構的器件的T₉₀超過1100小時，遠高于參比器件。

相關研究文章以“Monolithically-grained perovskite solar cell with Mortise-Tenon structure for charge extraction balance”為題發表在Nature Communications上。

• 【核心創新點】

通過熱聚合物的模板效應，提升了鈣鈦礦薄膜的結晶性降低非輻射復合，構建了鈣鈦礦和HTL間的榫卯結構增強空穴抽取，最終大幅提升了鈣鈦礦太陽能電池的效率。

• 【數據概覽】

圖1.?鈣鈦礦/NVP薄膜的結晶、結構和形貌。?2023 The Authors

圖2.?榫卯結構的形成機理。?2023 The Authors

圖3.?參比薄膜和鈣鈦礦/NVP薄膜的光電性能。?2023 The Authors

圖4.?鈣鈦礦器件的性能和穩定性。?2023 The Authors

• 【成果啟示】

相比以往的研究中的添加劑通常僅起到優化晶體質量的作用，本研究所報道的添加劑則一箭雙雕，不僅優化了晶體質量也通過形成榫卯結構促進了空穴抽取，這為鈣鈦礦太陽能電池研究提供了新的思路。進一步優化鈣鈦礦和空穴傳輸層間的榫卯結構分布，將有助于促進太陽能電池效率的繼續提升。

原文詳情：Fangfang Wang, Mubai Li, Qiushuang Tian, Riming Sun, Hongzhuang Ma, Hongze Wang, Jingxi Chang, Zihao Li, Haoyu Chen, Jiupeng Cao, Aifei Wang, Jingjin Dong, You Liu, Jinzheng Zhao, Ying Chu, Suhao Yan, Zichao Wu, Jiaxin Liu, Ya Li, Xianglin Chen, Ping Gao, Yue Sun, Tingting Liu, Wenbo Liu, Renzhi Li, Jianpu Wang, Yi-bing Cheng, Xiaogang Liu, Wei Huang & Tianshi Qin, Monolithically-grained perovskite solar cell with Mortise-Tenon structure for charge extraction balance. Nature Communications, 2023, 14, 3216.

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-023-38926-3

本文由NSCD供稿。 ???