第一作者：馮江山
通訊作者：楊棟、劉生忠
通訊單位：陜西師范大學(xué)
研究亮點:
利用二甲硫醚添加劑提高鈣鈦礦吸光層的質(zhì)量，制備了效率為18.4%的柔性鈣鈦礦太陽能電池，創(chuàng)造了柔性鈣鈦礦電池的最高效率。
剛性鈣鈦礦太陽能電池效率不斷提升和更新，而柔性鈣鈦礦太陽能電池效率發(fā)展緩慢。究其原因，主要局限于鈣鈦礦吸收層的質(zhì)量問題。
有鑒于此，陜西師范大學(xué)劉生忠教授和楊棟研究員團(tuán)隊利用二甲硫醚添加劑將柔性鈣鈦礦太陽能電池效率提升到18.4%，大面積（1.2cm2）效率為13.35%，均為目前的最高效率。
圖1 柔性鈣鈦礦太陽能電池世界紀(jì)錄
針對鈣鈦礦成膜過程中結(jié)晶速度快導(dǎo)致晶粒尺寸較小和結(jié)晶性較差的問題，研究人員將二甲硫醚作為添加劑制備鈣鈦礦薄膜。研究發(fā)現(xiàn)，在鈣鈦礦前驅(qū)體溶液中，二甲硫醚中硫原子的孤對電子可以與鉛的空軌道結(jié)合，形成絡(luò)合物。利用鈣鈦礦前驅(qū)體溶液旋涂制備薄膜，在鈣鈦礦形成過程中，二甲硫醚緩慢從絡(luò)合物中解離，鈣鈦礦的結(jié)晶速度被有效降低，從而實現(xiàn)了鈣鈦礦多晶薄膜晶粒尺寸的增加和結(jié)晶質(zhì)量的提高。
圖2 添加劑提升鈣鈦礦薄膜的質(zhì)量
將利用添加劑制備的高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜應(yīng)用到柔性器件中，電池效率得到明顯提升。光照穩(wěn)定性測試得到穩(wěn)態(tài)輸出效率為18.34%與I-V測試效率基本一致。另外，柔性鈣鈦礦太陽能電池表現(xiàn)出良好的機(jī)械性能，在極小的曲率半徑（4mm）下彎曲5000次后，電池的效率僅降低了18%（源于柔性導(dǎo)電襯底電阻的增加）。
圖3 柔性鈣鈦礦太陽能電池的性能
利用添加劑制備的柔性鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性得到很大程度的提高。將沒有封裝的柔性電池放置在濕度為35%的環(huán)境中60天后，器件效率仍可保持原有效率的86%，而無添加劑的器件效率僅為原有效率的50%。
圖4 柔性鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性測試
基于添加劑制備的高質(zhì)量鈣鈦礦吸光層，研究人員同時制備了不同面積的柔性鈣鈦礦太陽能電池，當(dāng)面積增加到1.2cm2時，效率可達(dá)13.35%，是目前大面積柔性鈣鈦礦太陽能電池的最高效率。
圖5 不同面積的柔性鈣鈦礦太陽能電池的性能表征
利用添加劑制備的鈣鈦礦薄膜缺陷態(tài)密度較低，復(fù)合電阻增大，穩(wěn)態(tài)熒光淬滅增強(qiáng)，載流子壽命明顯降低，表明其可實現(xiàn)載流子的有效分離、傳輸以及收集，有利于鈣鈦礦太陽能電池性能的提升。
圖6 鈣鈦礦薄膜中載流子性質(zhì)的表征
總之，本研究通過添加劑提升了鈣鈦礦吸收層的質(zhì)量，解決了柔性鈣鈦礦太陽能電池效率低的問題。
參考文獻(xiàn)：
Feng J, Zhu X, Yang Z, et al. Record Efficiency Stable Flexible Perovskite Solar Cell Using Effective Additive Assistant Strategy[J]. Advanced Materials, 2018.
DOI: 10.1002/adma.201801418.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201801418
作者簡介:
劉生忠教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊是國內(nèi)外較早從事鈣鈦礦光電器件研究的團(tuán)隊之一。團(tuán)隊研發(fā)了鈣鈦礦單晶生長新方法，成功制備了超大尺寸鈣鈦礦單晶，各方面指標(biāo)均領(lǐng)先領(lǐng)域先進(jìn)水平【Adv. Mater. 2015, 27, 5176-5183; Adv. Mater. 2016, 28, 9204-9209; Adv. Opt. Mater. 2016, 4, 1829-1837; Nat. Commun. 2017, 8, 16086; Adv. Sci. 2018, 5, 1700471; Adv. Mater. 2018, 1707314; Mater. Today, 2018, in press】。
在鈣鈦礦太陽能電池方面，2017年制備出世界最高效率13.7%的二維鈣鈦礦電池（Energy Environ. Sci., 2017, 10, 2095）; 2018年采取晶界鈍化法制備穩(wěn)定高效鈣鈦礦太陽電池（Adv. Mater. 2018, 1706576）; 2018年通過實時追蹤技術(shù)研究三維鈣鈦礦中間態(tài)的形成(ACS Energy Lett. 2018, 3, 1078-1085)；無機(jī)鈣鈦礦太陽能電池方向也取得了突破性進(jìn)展 【ACS Energy Lett. 2017, 2, 1479-1486; Adv. Energy Mater. 2018, 1703246; Adv. Energy Mater. 2018, 1800007; ACS Energy Lett.2018, 3, 970-978】。這些成果都達(dá)到了同類研究的國際先進(jìn)水平。
楊棟研究員在平面型和柔性鈣鈦礦電池方面均取得了重大突破，先后幾次報道了領(lǐng)域內(nèi)的最高效率。首次將離子液體作為界面層以及界面修飾層應(yīng)用到鈣鈦礦太陽能電池中，創(chuàng)造了柔性以及平面型鈣鈦礦太陽能電池效率的世界記錄【Adv. Mater. 2016, 28, 5206-5213; Energy Environ. Sci. 2015, 8, 3208-3214; Energy Environ. Sci. 2016, 9, 3071-3078; Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1701757.】。同時，采用獨(dú)特的界面修飾方法和雙源共蒸法，制備的平面鈣鈦礦電池效率超過了21%；近來，發(fā)展了優(yōu)質(zhì)的TiO2和Nb2O5電子傳輸層的低溫沉積工藝，再次突破了柔性鈣鈦礦太陽能電池的最高效率。
