武漢大學Nature Energy: 制備高溫穩定反式鈣鈦礦太陽能電池新策略

• 【導讀】

反式鈣鈦礦陽能電池憑借著更加簡易的制備工藝，低廉的制備成本等優點吸引了廣泛關注。近年來，反式鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率取得了長足的進步。然而，受限于其較差的穩定性，反式鈣鈦礦太陽能電池的商業化仍面臨較大挑戰。如何提升反式鈣鈦礦太陽能電池的穩定性是目前研究的熱點。

• 【成果掠影】

近日，武漢大學王植平教授團隊在Nature Energy上發表了新的研究論文，提出一種界面鈍化的物理方法，通過在鈣鈦礦層和電荷抽取層間的界面處引入固定電荷，可以顯著降低界面處載流子的復合和電壓損失并大幅提升反式鈣鈦礦太陽能電池的高溫穩定性。在本文中，作者首先指明了被廣泛應用于鈣鈦礦太陽能電池電荷抽取層的金屬氧化物易導致鈣鈦礦層的分解，是影響反式鈣鈦礦太陽能電池效率和穩定性的主要因素之一。在此基礎上，作者采用原子層沉積的方式在鈣鈦礦層和電荷抽取層間額外沉積一層金屬氧化物（AlO_x、SiO_x）從而提供固定電荷，固定電荷引入了內建電場，可以抑制界面處載流子復合，提升光生載流子傳輸效率。同時，由于引入的氧化物層具有優秀的化學穩定性，可以隔絕外界環境對鈣鈦礦層的侵蝕。特別的，在NiO_x和鈣鈦礦層間沉積AlO_x層，可以利用AlO_x的強酸性抑制鈣鈦礦層的質子化，提升其結構穩定性。實驗表明，相對參比器件，利用文中策略所制備的效率為22.5%反式鈣鈦礦太陽能電池的光電壓提升了至少60 mV。值得強調的是，采用固定電荷界面鈍化的反式太陽能電池在1 sun照射、溫度為85 ^oC下工作2000小時后效率未見損失。

相關研究文章以“Inverted perovskite solar cells with over 2,000?h operational stability at 85?^oC using fixed charge passivation”為題發表在Nature Energy上。

• 【核心創新點】

本文通過創新性地物理鈍化方法抑制了界面處的電荷損失并顯著提升了反式鈣鈦礦太陽能電池的高溫穩定性。

• 【數據概覽】

圖1.?器件性能和載流子動力學。?2023 Springer Nature

圖2.?金屬氧化物和鈣鈦礦異質結間的固定電荷。?2023 Springer Nature

圖3.?固定電荷對器件性能影響的計算模擬。?2023 Springer Nature

圖4.?器件性能表征和長期穩定性測試。?2023 Springer Nature

• 【成果啟示】

本項研究為制備高效率、長期穩定的鈣鈦礦太陽能電池提供了新的思路。該種策略也有望擴展到鈣鈦礦電致發光二極管領域，利用固定電荷的鈍化作用提升二極管的穩定性。

原文詳情：Yuanhang Yang, Siyang Cheng, Xueliang Zhu, Sheng Li, Zhuo Zheng, Kai Zhao?, Liwei Ji, Ruiming Li, Yong Liu?, Chang Liu, Qianqian Lin?, Ning Yan, Zhiping Wang. Inverted perovskite solar cells with over 2,000?h operational stability at 85?^oC using fixed charge passivation, Nature Energy, 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41560-023-01377-7

本文由NSCD供稿。 ???