第一作者：Zonghao Liu
通訊作者：戚亞冰
通訊單位：沖繩科學技術大學院大學(日本)
研究亮點：
1.Cl-離子鈣鈦礦薄膜摻雜提高器件性能。
2.甲胺和HPbI3（氣固反應）獲得高質量鈣鈦礦薄膜。
3.超過1 μm的鈣鈦礦薄膜，器件的效率突破20%。
鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）的效率（PCE）已達到23.3%，與其他薄膜光伏相比，鈣鈦礦薄膜的質量決定PSC性能。因此，高質量的薄膜是實現優越性能和高重現性的關鍵。
有鑒于此，戚亞冰課題組提出一種簡單的鈣鈦礦形成策略，即氯摻雜的HPbI3和甲胺快速氣固反應，得到厚度超過1 μm的鈣鈦礦薄膜。
圖1 鈣鈦礦薄膜的形成過程
該研究所制得的薄膜具有覆蓋度高、結晶度高、粗糙度低和均勻致密等優點。電池效率為19.1±0.4％。12 cm2有效面積的太陽能組件效率為15.3％。
研究人員首先在HPbI3鈣鈦礦薄膜中引入不同量的MACl。研究發現通過氯離子部分取代碘離子，形成HPbI3（Cl）。考慮到MACl存在于室溫下的固態，但升高時溫度（高于100 °C）會升華，引入的MACl還調整HPbI3（Cl）的薄膜形態。
圖2 Cl-取代鈣鈦礦薄膜的部分I-的過程
接著MA氣體就和HPbI3（Cl）發生氣固反應，得到鈣鈦礦薄膜。XRD表征結果發現，峰值強度逐漸增加歸因于氯對鈣鈦礦薄膜生長的影響。此外，發現隨著MACl量增加，14.1°峰值向更高角度偏移。HPbI3（Cl）也表現出相同的變化趨勢。然而，當MACl量過多時，鈣鈦礦薄膜會發生相分離。
器件結構為TiO2/meso-TiO2/perovskite/spiro-OMeTAD/Au，效率為20%。1.1 μm厚的鈣鈦礦薄膜不會對載流子的運輸產生不利影響。從SEM橫斷面看出，鈣鈦礦晶粒貫穿整個吸光層，最小化的晶界為有效的電荷傳輸提供便利的途徑。
圖3 鈣鈦礦太陽能電池的性能
那么大面積器件的性能表現如何呢？隨后研究人員制造模組（有效面積= 12.0 cm2，幾何填充因子= 48%），效率值為15.3％。新方法在大面積器件中顯示出良好的重復性。這些結果證明了該策略在大規模產業化應用的巨大前景。
圖4 電池截面圖和模組
MAPbI3（Cl）薄膜顯示出比MAPbI3薄膜更長的熒光壽命。這得益于更好的結晶度和降低MAPbI3（Cl）薄膜的缺陷密度。1.1 m厚的MAPbI3（Cl）薄膜和MAPbI3薄膜的遷移率分別為1.12和0.83 cm2 V-1 s-1。此外，遷移率值約為1 cm2 V-1 s-1是反溶劑制備的薄膜（0.014 cm2 V-1 s-1）的兩個數量級。這進一步證實氣固反應制備的鈣鈦礦薄膜具有優異的電荷載流子傳輸性能。
圖5載流子的傳輸行為
為了評估器件的穩定性，研究人員在干燥氮氣和80 oC氛圍中，測試未封裝的器件。可以連續工作超過1600小時，且效率不衰減。
圖6 器件和鈣鈦礦薄膜的穩定性
總之，該研究不僅提供了一種高度可重復的方法制造高效穩定的鈣鈦礦太陽能電池和模組，而且提出對器件的深入理解，以及器件穩定性改進的機制。
參考文獻：
Liu Z, et al. Gas-solid reaction basedover one-micrometer thick stable perovskite films for efficient solar cells andmodules[J]. Nature Communications, 2018.
DOI: 10.1038/s41467-018-06317-8
https://doi.org/10.1038/s41467-018-06317-8
