近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所薄膜硅太陽(yáng)能電池研究組研究員劉生忠團(tuán)隊(duì)在無(wú)機(jī)鈣鈦礦電池性能調(diào)控方面取得新進(jìn)展，相關(guān)成果在AdvancedEnergyMaterial和NanoEnergy上發(fā)表。

有機(jī)-無(wú)機(jī)金屬鹵化鈣鈦礦太陽(yáng)電池因具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率而受到廣泛關(guān)注，近年來(lái)發(fā)展迅速，成為光伏領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，但由于鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)中有機(jī)陽(yáng)離子與碘鉛八面體之間作用力較弱，致使該材料在外界條件刺激下容易分解，制約其進(jìn)一步發(fā)展。相比之下，全無(wú)機(jī)鈣鈦礦材料(CsPbX3,X=I,Br)因其優(yōu)異的熱穩(wěn)定性成為鈣鈦礦電池領(lǐng)域的新興研究熱點(diǎn)，然而基于無(wú)機(jī)鈣鈦礦材料的光伏器件內(nèi)部非輻射復(fù)合較為嚴(yán)重，因此其光電性能仍具有較大提升空間。為了提高無(wú)機(jī)鈣鈦礦電池光電轉(zhuǎn)換效率，積極發(fā)展無(wú)機(jī)鈣鈦礦性能調(diào)控策略，該團(tuán)隊(duì)劉生忠和王開等人采用不同策略抑制器件內(nèi)部電子復(fù)合。一般情況下，器件內(nèi)非輻射復(fù)合可分為界面復(fù)合和鈣鈦礦薄膜內(nèi)非輻射復(fù)合兩部分。針對(duì)界面復(fù)合，該團(tuán)隊(duì)采用鑭系金屬溴化物修飾電子傳輸層/鈣鈦礦界面，從而在界面處形成梯度式能帶結(jié)構(gòu)，達(dá)到抑制界面電子復(fù)合的目的，同時(shí)界面修飾可通過(guò)強(qiáng)化功能層間相互作用來(lái)促進(jìn)電子動(dòng)力學(xué)過(guò)程。基于該策略，該團(tuán)隊(duì)將基于CsPbIBr2的鈣鈦礦電池性能提高到10.88%，處于此領(lǐng)域較高水平;針對(duì)鈣鈦礦薄膜內(nèi)非輻射復(fù)合，該團(tuán)隊(duì)采用金屬鋇離子摻雜的策略來(lái)抑制這一過(guò)程，在研究中發(fā)現(xiàn)，雖然鋇離子半徑不滿足Goldscht幾何規(guī)律的要求，但其仍然可以改善鈣鈦礦材料光電性能，并提高器件穩(wěn)定性。該研究表明鈣鈦礦材料對(duì)金屬雜離子具有較高的容忍度。以上工作為無(wú)機(jī)鈣鈦礦性能調(diào)控提供了依據(jù)，在一定程度上推進(jìn)了無(wú)機(jī)鈣鈦礦電池的發(fā)展。

該工作得到國(guó)家重點(diǎn)研究與發(fā)展計(jì)劃、中央高校基礎(chǔ)研究基金、國(guó)家自然科學(xué)基金、遼寧省博士啟動(dòng)基金、111項(xiàng)目、長(zhǎng)江學(xué)者創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目等的資助。

另外，中科院化學(xué)所綠色印刷院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室也在鈣鈦礦電池領(lǐng)域取得進(jìn)展。

近年來(lái)，基于鉛的有機(jī)/無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦材料受到了極大的關(guān)注，成為太陽(yáng)電池研究的熱點(diǎn)方向，其最高光電轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到23%。然而，由于這類材料結(jié)晶性強(qiáng)，利用常規(guī)的溶液涂布方法和采用常用的鈣鈦礦前驅(qū)體，很難控制鈣鈦礦薄膜的成核和結(jié)晶，導(dǎo)致薄膜的覆蓋度低和光伏器件性能重復(fù)性差，可能制約著其進(jìn)一步的推廣應(yīng)用。

在國(guó)家自然科學(xué)基金委的支持下，中科院化學(xué)所綠色印刷院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研人員在前期染料敏化太陽(yáng)電池研究基礎(chǔ)上，針對(duì)目前鈣鈦礦溶液涂布存在的問(wèn)題，利用固-氣反應(yīng)方法，通過(guò)有機(jī)陽(yáng)離子交換途徑制備高質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜，光伏器件性能得到顯著提高。

最近該研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)固-氣反應(yīng)實(shí)現(xiàn)了一維HAPbI3(HA=N2H4+)到三維非鉛類錫鈣鈦礦MASnI3(MA=CH3NH3+)的轉(zhuǎn)變。由于這種一維鈣鈦礦前驅(qū)體具有良好的成膜性，固-氣反應(yīng)后的三維鈣鈦礦薄膜在二氧化鈦基底上具有很好的覆蓋度。更重要的是，在陽(yáng)離子置換過(guò)程中，由內(nèi)部置換產(chǎn)生的肼氣體可以有效地原位還原薄膜內(nèi)部可能存在的四價(jià)錫，顯著降低薄膜中載流子濃度，從而改善光生載流子輸運(yùn)。利用這種錫鈣鈦礦薄膜作為光吸收層，采用典型的二氧化鈦介孔結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦電池在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光下的光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)到7.13%。