進展 | CsPbI3全無機鈣鈦礦太陽能電池取得新進展

有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池近年來取得了飛速發展，光電轉換效率已經可以與單晶硅電池相媲美。以CsPbI3為代表的全無機鈣鈦礦具有出色的光、熱穩定性，且其~1.7eV帶隙是鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池頂電池的理想選擇，CsPbI3全無機鈣鈦礦太陽能電池已經成為新的研究熱點而備受關注。儘管如此，CsPbI3鈣鈦礦吸收層存在缺陷密度相對較高，非輻射電荷複合較嚴重等問題，導致電池開路電壓損失較大，電池效率偏低。改善CsPbI3多晶薄膜質量、降低缺陷密度及提高相穩定性，對於進一步提高CsPbI3電池效率和穩定性具有重要意義。

圖1. 基於PTAI低維鈣鈦礦鈍化策略所製備的CsPbI3鈣鈦礦電池的J-V特性曲線及低維鈣鈦礦在CsPbI3晶界處分布示意圖。

近年來，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心孟慶波團隊發展了一系列體相及界面調控方法，在高質量全無機鈣鈦礦薄膜、電池效率和穩定性提升方面開展了系統研究。例如，基於溶劑工程成功製備了穩定的全無機CsPb(Br,I)3鈣鈦礦太陽能電池（J. Mater. Chem. A, 2018, 6, 19810）；利用鹵化銨配位調控中間相及CsPbI3結晶過程，獲得了高填充因子及18.71%光電轉換效率（Adv. Funct. Mater., 2021, 31, 2010813）；發展了硫脲/硫氰酸銨低溫熔鹽調控策略，利用熔鹽中SCN-離子與Pb2+配位調控CsPbI3晶體生長，獲得高質量CsPbI3薄膜和20.1%的光電轉化效率（Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60, 36）；利用鍺摻雜策略，通過原位生成GeO2薄層鈍化晶界和CsPbI3鈣鈦礦薄膜缺陷，顯著提高CsPbI3薄膜和器件的濕度穩定性，在穩定光照和恆定偏壓下連續工作3000小時電池性能幾乎不衰減（Adv. Energy Mater., 2022, 2103690）。

圖2. 太陽能電池性能表徵：（a）基於不同有機陽離子所製備CsPbI3薄膜的瞬態熒光光譜（TRPL）；暗態空間電荷限制電流（SCLC）：b）對比組和c）實驗組；基於導納光譜推出（d）阿倫尼烏斯關係，用於計算缺陷能級和特徵轉換頻率，（e）缺陷態密度分布，f）界面缺陷；CsPbI3/spiro-OMeTAD界面複合的示意圖：（g）對比組和（h）實驗組。

最近，該團隊發現苯基三甲基季銨陽離子(PTA+)對稱性高且分子間作用力較弱，既有較好的熱穩定性，還具有很好的疏水性能。PTA+在鈣鈦礦退火過程中能夠穩定存在並與PbI2作用，在CsPbI3鈣鈦礦晶界和表面原位形成寬頻隙低維鈣鈦礦（1D PTAPbI3 和2D PTA2PbI4），這種低維鈣鈦礦能夠有效鈍化CsPbI3薄膜的晶界和表面缺陷，抑制非輻射複合，從而降低開壓損耗。同時，疏水的低維鈣鈦礦能夠減緩濕度對黑相CsPbI3的侵蝕，從而提高黑相CsPbI3的相穩定性。基於上述高熱穩定性的低維鈣鈦礦鈍化策略，CsPbI3無機鈣鈦礦太陽能電池效率達到21%，認證效率超過20%。這是迄今為止報道的CsPbI3鈣鈦礦太陽能電池最高效率。此外，上述器件還具有出色的工作穩定性和濕度穩定性。此工作為進一步提升CsPbI3相關光電器件性能及其在疊層電池方面應用具有一定的參考價值。

圖3. 全無機電池連續認證效率

該研究成果以「Temperature-Reliable Low-Dimensional Perovskites Passivated Black-phase CsPbI3 toward Stable and Efficient Photovoltaics」為題發表在Angewandte Chemie International Edition上（DOI: 10.1002/anie.202201300）。中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心清潔能源實驗室E02組博士研究生譚善為該論文的第一作者，物理所李冬梅研究員和孟慶波研究員為該論文的通訊作者。本研究得到了國家自然科學基金委（11874402，51872321，52072402和51627803）和科技部（2018YFB1500101）的支持。

編輯：Paarthurnax