中科大Nature Energy: 空氣中制備鈣鈦礦太陽能電池新突破

一、【科學背景】

? ? ? ? 近年來，鈣鈦礦太陽能電池的研究吸引了廣泛關注。隨著研究的深入，鈣鈦礦太陽能電池效率迅速提升。其中，正置（n-i-p）鈣鈦礦太陽能電池的認證效率已達到25.7%。相比正置鈣鈦礦太陽能電池，倒置（p-i-n）鈣鈦礦太陽能電池具有潛在的更加優秀的運行穩定性。然而，目前具有高效率的倒置太陽能電池只能在惰性氣氛保護下制備，且最高效率僅為24.7%。在空氣中制備的倒置鈣鈦礦太陽能電池效率進一步降低，僅為23%。探索一條在空氣中制備高效倒置鈣鈦礦太陽能電池的策略是推動其商業應用的關鍵。

二、【創新成果】

? ? ? ? 近日，來自中國科技大學的徐集賢教授團隊在Nature Energy發表了題為“Inhibition of halide oxidation and deprotonation of organic cations with dimethylammonium formate for air-processed p-i-n perovskite solar cells”的論文，該項研究首先系統的總結了空氣中制備倒置鈣鈦礦太陽能電池效率較低的原因。分析表明，空氣中制備鈣鈦礦太陽能電池的全部過程（前驅體溶液儲存、鈣鈦礦薄膜結晶）均受到空氣中的水、氧影響從而導致鈣鈦礦太陽能電池性能的劣化。為解決這一問題，在本項研究中，研究者設計并合成了一種能夠在全制備流程中起到保護作用的離子液體型穩定劑，甲酸二甲基胺 (DMAFo)。對于鈣鈦礦前驅體溶液，該穩定劑的高還原性以及其與鈣鈦礦前驅體間形成的配位鍵和氫鍵可以顯著抑制I^-離子的氧化和有機陽離子的去質子化，顯著延長鈣鈦礦溶液在高溫空氣環境中的存儲時間。不僅如此，DMAFo對于鈣鈦礦薄膜在空氣中的結晶過程也起到保護作用。DMAFo的加入可以提升薄膜結晶度，減少結構缺陷并降低表面電勢的無序度，進而抑制載流子的非輻射復合。該項研究表明，抑制鈣鈦礦結晶過程中所形成的p型缺陷并減小缺陷的束縛截面是提升空氣中制備的鈣鈦礦太陽能電池性能的關鍵。基于以上結論，本項研究成功的在空氣中制備了開路電壓在1.185 eV的倒置鈣鈦礦太陽能電池，并獲得了25.4%的實驗室效率和24.7%的認證效率，已接近在氮氣中制備的同類器件的最高水平。

圖1 DMAFo對空氣中鈣鈦礦前驅體溶液的穩定 ? 2024 Springer Nature

圖2 DMAFo對鈣鈦礦在空氣中結晶的作用 ? 2024 Springer Nature

圖3 空氣中制備的鈣鈦礦薄膜表面和體相質量的提升 ? 2024 Springer Nature

圖4 空氣中制備的p-i-n太陽能電池性能的提升 ? 2024 Springer Nature

三、【科學啟迪】

? ? ? ? 該研究不僅提出了空氣中制備倒置鈣鈦礦太陽能電池的新策略，有助于倒置鈣鈦礦太陽能電池的大規模制備；同樣重要的是，該項研究所提出的通過添加劑減小缺陷吸收截面的策略有望應用于鈣鈦礦基發光材料，為進一步提升鈣鈦礦光電器件性能提供了重要啟示。

原文詳情：https://doi.org/10.1038/s41560-024-01471-4