近年來(lái)，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池因其高的轉(zhuǎn)換效率、簡(jiǎn)單的制備工藝和低廉的制造成本受到了全球?qū)W術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注，發(fā)展迅速。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池實(shí)際應(yīng)用的重要瓶頸和關(guān)鍵問(wèn)題在于如何實(shí)現(xiàn)低成本、大面積、高效率器件及解決穩(wěn)定性的難題。

在中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)和國(guó)家自然科學(xué)基金委的支持下，中科院化學(xué)研究所分子納米結(jié)構(gòu)與納米技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員胡勁松課題組科研人員在這一領(lǐng)域開(kāi)展了相關(guān)研究，并于近期與相關(guān)合作者一起取得了系列新進(jìn)展。他們開(kāi)發(fā)了一種風(fēng)刀涂布方法，實(shí)現(xiàn)了大面積鈣鈦礦薄膜、電子傳輸層（ETL）和空穴傳輸層（HTL）的高質(zhì)量涂布，在全程不需旋涂和反溶劑的情況下，獲得了轉(zhuǎn)換效率（PCE）可達(dá)20%以上的電池器件（圖1），為高效率鈣鈦礦光伏器件的低成本規(guī)模化制備提供了一種思路。相關(guān)工作發(fā)表于Joule(DOI:10.1016/j.joule.2018.10.025)上。

在HTL方面，開(kāi)發(fā)了新型低成本、易制備的二維共軛有機(jī)小分子空穴傳輸材料OMe-TATPyr代替spiro-OMeTAD，實(shí)現(xiàn)了平均20%的CE（Angew.Chem.Int.Ed.2018,57,10959）。在ETL方面，研究人員發(fā)現(xiàn)在無(wú)ETL時(shí)透明電極與鈣鈦礦薄膜間的費(fèi)米能級(jí)差距減小，接觸界面能帶彎曲減弱，因此對(duì)光生電子的抽取及光生空穴的排斥作用同時(shí)減弱，使得電子在界面的轉(zhuǎn)移效率急劇下降，導(dǎo)致載流子復(fù)合嚴(yán)重，器件PCE降低。這一新的理解提高了對(duì)鈣鈦礦光伏器件結(jié)構(gòu)與異質(zhì)結(jié)界面的認(rèn)識(shí)，闡釋了無(wú)ETL器件PCE低的原因。據(jù)此，他們提出通過(guò)延長(zhǎng)載流子壽命來(lái)解決無(wú)ETL鈣鈦礦光伏器件轉(zhuǎn)換效率低的新方案。發(fā)現(xiàn)當(dāng)載流子壽命接近微秒時(shí)，無(wú)ETL器件的PCE可以接近傳統(tǒng)p-i-n結(jié)構(gòu)器件，并且獲得了PCE為19.52%的無(wú)ETL鈣鈦礦光伏器件（圖2）。這些結(jié)果有助于解決鈣鈦礦器件對(duì)傳統(tǒng)器件結(jié)構(gòu)的依賴問(wèn)題，也為鈣鈦礦光伏技術(shù)的低成本規(guī)模化制備提供了多樣化的選擇。相關(guān)工作發(fā)表于Chem上（Chem,2018,4,2405-2417）。

鈣鈦礦電池的穩(wěn)定性是其應(yīng)用的瓶頸和關(guān)鍵。研究人員在鈣鈦礦層與HTL間引入高遷移率疏水共軛高分子界面層，一方面改善空穴的提取效率，另一方面可以有效阻隔濕氣與傳輸層中添加劑對(duì)鈣鈦礦層的侵蝕，從而顯著提高了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的空氣穩(wěn)定性和光電轉(zhuǎn)換效率（SolarRRL,DOI:10.1002/solr.201800232，insidecover；NanoRes.,2018,11,185-194）。相比于有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合鈣鈦礦材料，純無(wú)機(jī)鈣鈦礦材料表現(xiàn)出更優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。其中，立方相CsPbI3具有合適的帶隙而備受關(guān)注，但其立方相室溫下是熱力學(xué)不穩(wěn)定相，因此理解立方相CsPbI3在合成與器件制備過(guò)程中的相不穩(wěn)定性機(jī)制，進(jìn)而制備室溫下相穩(wěn)定的光伏相CsPbI3，對(duì)于其在光伏和光電領(lǐng)域中的應(yīng)用具有重要意義。研究人員近期首次從原子尺度上觀測(cè)到了極性溶劑會(huì)誘導(dǎo)立方相CsPbI3納米晶晶格發(fā)生畸變，進(jìn)而相變失穩(wěn)，從實(shí)驗(yàn)和原理上解釋了極性溶劑對(duì)立方相CsPbI3納米晶穩(wěn)定性的影響，揭示了極性溶劑誘導(dǎo)立方相CsPbI3納米立方體相變的機(jī)制及其多級(jí)次自組裝成單晶納米線和微米線的機(jī)制（圖3）。這一研究結(jié)果對(duì)理解立方相CsPbI3相不穩(wěn)定機(jī)制提供了新的認(rèn)識(shí)，并為立方相CsPbI3的制備及保存使用過(guò)程中的溶劑選擇提供了指導(dǎo)。相關(guān)工作發(fā)表于J.Am.Chem.Soc.,2018,140,11705–11715，并入選當(dāng)期封面。

在此基礎(chǔ)上，研究人員發(fā)展了一種方法，通過(guò)高介電常數(shù)質(zhì)子性溶劑控制CsPbI3鈣鈦礦前驅(qū)體結(jié)晶時(shí)的表面能，在不引入有機(jī)配體或進(jìn)行金屬/鹵素?fù)诫s的情況下，利用一步溶液沉積和低溫退火工藝，獲得了在室溫下穩(wěn)定的新光伏相-正交相g-CsPbI3薄膜。通過(guò)XRD精修確定了其晶胞參數(shù)，研究了薄膜的形成機(jī)制和能帶結(jié)構(gòu)，并構(gòu)建了基于g-CsPbI3薄膜的平面異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池，獲得了11.3%的PCE（圖4），這是目前為止報(bào)道的全無(wú)機(jī)純CsPbI3鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的最高效率。由于所得g-CsPbI3薄膜在室溫下的熱力學(xué)穩(wěn)定性，電池表現(xiàn)出顯著改善的長(zhǎng)達(dá)數(shù)月的空氣穩(wěn)定性。

該研究首次報(bào)道了室溫下熱力學(xué)穩(wěn)定的新型正交光伏相g-CsPbI3薄膜及其高效率電池器件，為解決全無(wú)機(jī)CsPbI3鈣鈦礦光伏相室溫下結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定問(wèn)題提供了全新的視角和思路。緊接上述極性溶劑對(duì)立方相CsPbI3納米晶穩(wěn)定性影響的工作，相關(guān)研究結(jié)果以全文形式發(fā)表于J.Am.Chem.Soc.,2018,140,11716–11725。