近期Nature/Science鈣鈦礦太陽能電池文章大盤點!

2020-11-22 騰訊網

有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）自2009年被第一次報導其優異的光伏性能，經過十餘年的迅速發展，最新認證的光電轉換效率（PCE）已從最初的3.8%增長到25.5%。鈣鈦礦材料由於其優異的光電性能，在太陽能電池、發光器件等多個領域均有應用，接下來讓我們來看看近期發表在NS頂刊上的重要成果。

01

Atomic-scale microstructure of metal halide perovskite

鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率雖然節節攀高，但是由於鈣鈦礦本身對電子束等束流敏感，因此其微觀機理的研究進展緩慢。該團隊通過原子級透射電子顯微鏡測試，成功獲得了FAPbI3鈣鈦礦薄膜的原子級分辨照片，照片展示了高度有序的原子陣列、清晰分明的晶界以及鈣鈦礦與PbI2的交界面，同時沒有發現晶格中長程無序的現象。在測試中作者發現由於電子束導致FA+離子損失，留下部分未被佔用的鈣鈦礦晶格，隨後會進行重新排列，這也解釋了鈣鈦礦材料的再生過程。作者還進一步觀察了FAPbI3中點缺陷和位錯的性質，對之後鈣鈦礦中的機理研究具有非常重大的指導意義。

02

Vapor-assisted deposition of highly efficient, stable black-phase FAPbI3perovskite solar cells

在鈣鈦礦太陽能電池FAPbI3體系中，相當多的研究報導在鈣鈦礦中引入陽離子或滷素離子可以有效提高光電轉換效率，但是會使得帶隙變寬同時影響電池的穩定性能。本文基於FAPbI3體系，提出了一種新的處理方法，將FAPbI3的δ相置於MASCN或者FASCN的蒸汽中，製備得到FAPbI3的純α相，核磁共振測試表明MA已經進入鈣鈦礦晶格中，分子動力學模擬結果顯示SCN-離子有效促進α相的形成和穩定。基於上述製備方法所得薄膜製備鈣鈦礦太陽能電池，最終獲得了大於23%的光電轉換效率，電池也具備優良的穩定性能。本篇文章揭示了SCN-離子是穩定α-FAPbI3的關鍵，對於FAPbI3基鈣鈦礦太陽能電池的發展非常重要，同時該體系的高電壓和高外量子效率也表明FAPbI3鈣鈦礦材料可能適用於發光二極體和光電探測器領域。

03

Impact of strain relaxation on performance of a-formamidinium lead iodide perovskite solar cells

離子摻雜是穩定α-FAPbI3鈣鈦礦的重要方法，在引入其他離子後，通常會對帶隙、載流子動力學、穩定性以及晶格微應力產生非常大的影響，甚至導致缺陷位點的產生。本文通過在A位引入Cs+和MDA+離子，發現在摻雜一定量的情況下，晶格應力減小，載流子壽命延長，烏爾巴赫能和缺陷密度降低。最終獲得了認證效率達到24.4%的FAPbI3基鈣鈦礦太陽能電池，未封裝的電池器件在85℃的熱穩定測試過程中（避光），在1300h之後仍能保持初始效率的80%以上。

04

Stable perovskite solar cells with efficiency exceeding 24.8% and 0.3-V voltage loss

迄今為止，綜合考慮製備工藝以及與鈣鈦礦的能級匹配程度，Spiro-OMeTAD仍然被認為是最高效的空穴傳輸材料，本文設計了兩種Spiro-OMeTAD的氟化異構類似物Spiro-mF和Spiro-oF，通過實驗、原子級和理論的相關測試分析，最後獲得了光電轉換效率高達24.82%的電池（認證效率為24.64%）；未封裝的電池器件在潮溼環境的穩定性測試過程中，在500h之後仍能保持初始效率的87%；1cm2大面積電池也獲得了22.31%的光電轉換效率。

05

A fabrication process for flexible single-crystal perovskite devices

本文通過基於溶液的光刻輔助外延生長和轉移方法，可以在任意襯底上製備單晶鈣鈦礦薄膜，薄膜厚度可以在~600nm到~100μm範圍內精確控制，面積最大可達到5.5cm×5.5cm範圍，以及沿厚度方向上的成分梯度分布（以甲基鉛碘為例，摻雜Sn2+離子時，鈣鈦礦由MAPbI3過渡至到MAPb0.5Sn0.5I3）。轉移的單晶鈣鈦礦薄膜質量可與直接生長在外延襯底上的薄膜質量相媲美，而且一定厚度的薄膜具有非常好的柔性。Pb-Sn基單晶鈣鈦礦擁有逐漸過渡的能帶結構，可以有效提高載流子遷移能力同時阻礙載流子的複合。基於這種單晶鈣鈦礦所組裝的電池，不僅表現出優異的穩定性能，同時還獲得了優秀的光電性能，Pb-Sn基鈣鈦礦太陽能電池最後獲得了18.77%的平均光電轉換效率。

06

A piperidinium salt stabilizes efficient metal-halide perovskite solar cells

器件穩定性一直是鈣鈦礦太陽能電池研究的重點，我們通過在Cs0.17FA0.83Pb(I0.77Br0.23)3鈣鈦礦中引入一種[BMP]+[BF4]-基的添加劑，調整能帶結構與矽串聯電池更為匹配，提高了開路電壓和電池效率。這種添加劑同時也延緩了薄膜中雜質相和針孔的產生。在之後的穩定性測試過程中，未封裝器件在60℃和85℃的加熱條件下，在1010h和1200h內可保持80%的峰值效率，而封裝器件穩定在95%，有效提高了器件穩定性。

07

Gas chromatography–mass spectrometry analyses of encapsulated stable perovskite solar cells

本文通過氣相色譜-質譜（GC-MS）揭示了有機-無機雜化鈣鈦礦在熱條件下分解的揮發性產物，證實了一種低成本的聚合物/玻璃疊層封裝方法的有效性，可使電池通過(IEC) 61215:2016的溼熱和溼度測試，這些測試可以判定電池組件是否滿足戶外工作條件，本文的密封方法可以有效阻擋水分子的進入，同時還可以阻止鈣鈦礦中大分子組分的揮發，大幅提高器件的穩定性。

08

On-device lead sequestration for perovskite solar cells

鈣鈦礦太陽能電池作為高效低成本的光伏能源，在商業化過程中也面臨著諸多挑戰。器件的穩定性在研究者的努力下已經取得了較大提高，但是鉛廢料和器件中洩漏出鉛的毒性問題仍沒有解決方案，這對自然環境和公共健康都有非常大的危害性。本文提出了一種化學方法，通過在器件的正反面都覆蓋一層吸收鉛的塗層材料，可以有效隔離96%以上的鉛廢料。在光照側，作者使用了一種透明的DMDP薄膜，其中的基團與鉛有非常強的作用力；在對電極側，作者使用了摻有鉛螯合劑的聚合物薄膜。兩側的薄膜在水中都可以有效的吸收鉛，並而不會溶解，從而保證了器件的完整性，避免了鉛洩露。

參考文獻：

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本文作者：材料委天津院

本文責編：王寧寧

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