研究背景
日益加劇的能源與環境危機促使人們不斷尋求綠色可再生的新能源形式。太陽電池可將源源不斷的太陽光直接轉化為電能，是一種理想的可再生能源。近年來，鈣鈦礦型太陽電池的能量轉換效率不斷攀升，經認證的效率已突破25.2%，已經達到甚至超過了產業化的要求，加之其低廉的製備成本，靈活多變的製備方法使其受到了廣泛的關注。但是，穩定性方面的缺陷仍然亟待解決以滿足商品化的需求。雖然全無機鈣鈦礦太陽電池有望能從根本上解決有機-無機雜化鈣鈦礦太陽電池的熱不穩定問題，但較大的開路電壓（VOC）損失以及大面積成膜工藝的缺陷帶來的性能衰退問題仍然制約了其進一步的發展。
研究背景
近日，暨南大學麥耀華團隊和中科院深圳先進技術研究院等單位合作在高效無機CsPbI2Br鈣鈦礦太陽電池及模組的研究中再次取得進展，他們採用三(五氟苯基)硼烷（TPFPB）以及高氯酸鋰（LiClO4）雙摻雜的方式對C60電子傳輸層進行調製，大大降低了太陽電池器件的開路電壓（VOC）損失，並通過自主研發的準曲面熱輻射加熱的薄膜製備方法，首次報導了基於無機鈣鈦礦材料的太陽電池模組，效率超過12%。相關研究論文發表在材料科學領域頂級期刊Advanced Materials。博士生劉衝為第一作者，麥耀華教授和楊玉照副研究員為文章共同通訊作者。該研究得到國家重點研發項目(2018YFB1500103、2016YFA0201001)、河北省高校高層次人才科學研究項目(GCC2014013)、廣東省高水平大學建設經費的支持。
研究背景
由於路易斯酸TPFPB摻雜劑分子的吸電子特性（圖1a），使得C60分子中電子對核屏蔽減弱，從而降低了C60分子的LUMO能級（圖1e），增大了ZnO與C60之間的導帶能級差，增強了界面電子漂移驅動力，進而增強了電子的注入（圖1f）。
圖1. C60與TPFPB分子相互作用
倒置無機CsPbI2Br鈣鈦礦太陽電池器件的VOC隨TPFPB的摻入獲得了100 mV以上的提升（圖2a），能量轉換效率也超過了15%（圖2b），但同時也引入了較為嚴重的回滯效應問題，從而造成了器件的穩定輸出功率呈現先上升後持續下降的現象（圖2d）。
圖2. TPFPB摻雜，器件對應的光伏性能
分析造成回滯現象加重的原因發現，由於TPFPB分子的添加，影響了相鄰C60分子之間的π電子跳躍傳輸，從而降低了體系的電子遷移率以及電導率，造成了電池器件回滯效應的增大。因此，進一步採用不易吸溼潮解的鋰鹽（LiClO4）進行摻雜，增強了薄膜的電子遷移率及電導率（圖3）。
圖3. c-AFM圖及電流分布統計：a）空白樣品；b）TPFPB摻雜樣品；c）雙摻雜樣品
微量的LiClO4摻雜不僅可以進一步提升器件效率，還可以顯著降低回滯效應，最終基於雙摻雜C60電子傳輸層的倒置無機CsPbI2Br鈣鈦礦太陽電池在小面積0.09 cm2取得了15.19%能量轉換效率（圖4b），在大面積1.0 cm2上取得了14.44%效率（圖4d），是目前有報導基於CsPbI2Br鈣鈦礦吸收層在1.0 cm2上獲得的最高能量轉換效率。
圖4. 雙摻雜C60電子傳輸層對應太陽電池在不同面積上的光伏性能
進一步的工作，作者首次報導了基於無機鈣鈦礦材料的太陽電池模組。考慮到前期工作中採用的熱輻射加熱方式，其應用於大面積襯底上薄膜製備過程中，會造成襯底中心區域的低溫相轉變過程大幅度滯後於邊緣區域（圖5b1），最終導致邊緣區域過度結晶而發生相分離現象。該工作通過自主研發的準曲面熱輻射加熱方法，即在襯底正下方引入一曲面玻璃（圖5a），用以提升中心區域的溫度，從而達到中心區域與邊緣區域同步相轉變的目的，最終基於襯底尺寸5×5 cm2，首次報導了基於無機鈣鈦礦材料的太陽電池模組（10.92 cm2），且效率高達12.19%。
圖5. 無機鈣鈦礦太陽模組的製備方法示意圖及光伏性能
文獻連結：
Tailoring C60for Efficient Inorganic CsPbI2Br Perovskite Solar Cells and Modules
Chong Liu, Yuzhao Yang, Cuiling Zhang, Shaohang Wu, Liyu Wei, Fei Guo, Gowri Manohari Arumugam, Jinlong Hu, Xingyuan Liu, Jie Lin, Ruud E. I. Schropp, Yaohua Mai
Adv. Mater.,2019,32, 1907361, DOI: 10.1002/adma.201907361