南京大學破解鈣鈦礦電池效率、穩定性相互制約的難題

近日，南京大學現代工程與應用科學學院譚海仁教授課題組與多倫多大學Edward Sargent教授團隊合作發表了窄帶隙鈣鈦礦及全鈣鈦礦疊層太陽能電池的最新研究成果，該成果以《Combining Efficiency and Stability in Mixed Tin-Lead Perovskite Solar Cells by Capping Grains with an Ultrathin 2D Layer》為題，在Advanced Materials上發表（https://doi.org/10.1002/adma.201907058）。

圖1. 與表面鈍化相比，在反溶劑中添加苯乙胺提升鈣鈦礦內部的均勻鈍化。

疊層太陽能電池是一種獲得更高光電轉換效率的光伏技術。在全鈣鈦礦串聯疊層太陽能電池中，Sn-Pb混合的窄帶隙鈣鈦礦（Eg≈1.2 eV）由於缺陷態密度高、易氧化等特點，限制了疊層電池的光電轉換效率和器件的穩定性板。儘管之前有研究報道稱，在Sn-Pb窄帶隙中採用Cs-FA二元混合陽離子可以有效提高電池的穩定性，然而報道的CsFA單結Sn-Pb窄帶隙太陽能電池效率普遍較低（＜17%）。本研究工作中，通過採用Cs-FA-MA三元混合陽離子的策略，有望進一步提升Sn-Pb窄帶隙電池的效率和穩定性。

基於此，譚海仁課題組與Sargent教授團隊開展合作研究，提出一種利用超薄層二維鈣鈦礦將Sn-Pb鈣鈦礦晶粒包裹的方法，可以有效地解決電池效率-穩定性二者之間相互制約的難題。二維鈣鈦礦的存在一般在電池中會阻礙載流子的傳輸，較低器件的填充因子。本工作中通過在反溶劑中直接引入長鏈的苯乙胺配體，在Sb-Pb鈣鈦礦薄膜的表面和晶界處生長了超薄二維鈣鈦礦鈍化層，有效降低了鈣鈦礦膜表面和晶界處的缺陷態密度；鈍化後的Sn-Pb鈣鈦礦並沒有明顯的二維鈣鈦礦相的生成，與常規的表面鈍化策略相比，反溶劑中引入苯乙胺鈍化配體能在鈣鈦礦薄膜的表面和晶界處均勻分布，起到整體均勻鈍化的作用，同時避免了較厚二位鈣鈦礦層的形成。

圖2. 優化鈣鈦礦層厚度後單節Pb-Sn鈣鈦礦電池獲得了19.4%的光電轉換效率，結合寬頻隙鈣鈦礦製備的串聯型全鈣鈦礦疊層電池效率達到23.7 %（穩態效率23.5%）。

優化後的單結Sn-Pb鈣鈦礦電池獲得了19.4%的光電轉換效率（Newport認證效率 18.95%），填充因子達到79%。該器件與未鈍化的器件相比，在AM1.5G全光譜光照下，工作壽命可以提高200倍；在寬頻隙濾光光照下，也能實現200小時的持續穩定工作。結合1.77eV寬頻隙鈣鈦礦和ALD-SnO2/Au隧穿復合結製備全鈣鈦礦串聯疊層太陽能電池，獲得了23.7%（穩態23.5%）的光電轉換效率，在最大功率輸出條件下工作65小時後，器件仍保持95%以上的初始效率。

多倫多大學博士生魏明揚和現代工學院科研助理肖科（現為19級電子學院與現代工學院聯合培養博士生）為文章的共同第一作者，譚海仁教授和Sargent教授為共同通訊作者。本工作得到了現代工學院朱嘉教授和李愛東教授的合作指導；該工作還得到了科技部國家重點研究計劃、國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金、中組部青年千人計劃項目、安大略省-江蘇省產業合作項目的資助；固體微結構物理國家重點實驗室、江蘇省功能材料設計原理與應用技術重點實驗室提供了大力的支持。

來源：南京大學