鈣鈦礦太陽能電池具有成本低、光電轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點。經(jīng)過十多年的快速發(fā)展，鈣鈦礦單結(jié)電池效率已超過25%，基于鈣鈦礦的多結(jié)疊層電池效率已超過30%，鈣鈦礦太陽能電池被認為是未來最具應用潛力的光伏技術(shù)之一。光電轉(zhuǎn)換效率是太陽能電池的核心指標之一，為實現(xiàn)高效率的鈣鈦礦太陽能電池，人們常采用可與鈣鈦礦形成I型異質(zhì)結(jié)能級結(jié)構(gòu)的二次相碘化鉛(PbI2)來阻擋載流子在多晶鈣鈦礦晶界或表面缺陷處復合。早期半導體所團隊曾發(fā)現(xiàn)基于二次相PbI2的鈣鈦礦電池較難兼顧效率和穩(wěn)定性(Advanced Materials, 2017,29,1703852)。主要原因是PbI2二次相的存在可能提供了鈣鈦礦分解以及離子移動通道，使得鈣鈦礦材料以及電池器件長期穩(wěn)定性較差，且易產(chǎn)生較大的電滯。因此，如何設(shè)計穩(wěn)定的二次相，既能實現(xiàn)鈍化鈣鈦礦缺陷，又能獲得穩(wěn)定的鈣鈦礦吸光材料，從而實現(xiàn)既高效又穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽能電池是當前該領(lǐng)域的一個重要課題。圖1 (A)具有PIRC二次相鈣鈦礦的掃描電子顯微鏡照片，(B)有無PIRC的鈣鈦礦薄膜X射線衍射圖譜（插圖為局部放大圖），(C)與(D)分別為有無PIRC的鈣鈦礦電導與溫度關(guān)系圖。最近，半導體所游經(jīng)碧研究員領(lǐng)導的團隊發(fā)現(xiàn)通過在鈣鈦礦材料中引入少量氯化銣(RbCl)，可將常見的引起鈣鈦礦不穩(wěn)定的二次相PbI2轉(zhuǎn)化成為全新的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性好的(PbI2)2RbCl（簡稱PIRC）（圖1A,1B）。實現(xiàn)了85oC條件下鈣鈦礦材料熱穩(wěn)定性大幅度提升，同時鈣鈦礦材料的離子遷移勢壘提高了3倍，離子遷移得到了有效抑制（圖1C，1D）。除此之外，他們還發(fā)現(xiàn)通過抑制PbI2消除了鈣鈦礦/PbI2界面的強限域?qū)е碌哪軒ё兇髥栴}，減小了鈣鈦礦材料的帶隙，擴展了對太陽光吸收范圍?；讷@得的高穩(wěn)定性、光吸收擴展的鈣鈦礦材料，半導體所團隊研制出認證效率為25.6%的鈣鈦礦太陽能電池（圖2A），為目前公開發(fā)表的單結(jié)鈣鈦礦太陽能電池世界最高效率。電池器件1000小時放置和85攝氏度加速老化分別保持初始效率的96%和80%（圖2B，2C）。該工作同時實現(xiàn)了鈣鈦礦太陽能電池的高光電轉(zhuǎn)換效率和高穩(wěn)定性，為鈣鈦礦電池的進一步發(fā)展以及產(chǎn)業(yè)化奠定了堅實的基礎(chǔ)。圖2 (A)第三方權(quán)威機構(gòu)美國Newport認證書，認證效率為25.6%，插圖為認證效率曲線，(B)有無穩(wěn)定二次相PIRC器件放置的電流-電壓曲線，(C)有無穩(wěn)定二次相PIRC器件在85oC加速老化下的穩(wěn)定性。此項成果以發(fā)表于《Science》雜志(Inactive (PbI2)2RbCl stabilizes perovskite films for efficient solar cells,Science,2022,377,531-534. doi/10.1126/science.abp8873)，半導體所博士后趙洋是該論文的第一作者，博士生馬飛、瞿子涵分別為論文的第二、第三作者，游經(jīng)碧研究員為該論文的通訊作者。該工作得到了半導體所張興旺研究員的悉心指導與大力支持，還得到了半導體所鄧惠雄研究員（晶體結(jié)構(gòu)理論模擬）和中南大學袁永波教授（離子遷移表征）的研究支持。同時，感謝上海同步輻射楊迎國研究員以及武漢大學柯維俊教授等對研究工作給予的幫助和寶貴的建議。該項工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家杰出青年科學基金、中國科學院創(chuàng)新交叉團隊、國家優(yōu)秀青年科學基金以及中南大學創(chuàng)新團隊等項目的資助。同時也感謝北京市科委對本課題前期研究的大力支持。
參考資料：http://www.semi.ac.cn/xwdt/kyjz/202207/t20220729_6495431.html
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