近期，中科院合肥研究院固體所能源材料與器件制造研究部潘旭研究員團隊與中科大肖正國教授課題組合作在鈣鈦礦太陽能電池方向取得新進展。研究人員制備了理想帶隙為1.33 eV的鉛錫混合鈣鈦礦作為太陽能電池吸收層，通過定向錨定策略(STA)對鈣鈦礦空位缺陷進行精確鈍化處理，獲得了22.51%的光電轉(zhuǎn)化效率(PCE)記錄，有望超越傳統(tǒng)鉛基鈣鈦礦太陽電池。相關(guān)成果以 “Selective Targeting Anchor Strategy Afford Efficient and Stable Ideal Bandgap Perovskite Solar Cells” 為題發(fā)表在Advanced Materials (Adv. Mater., 2022, DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202110241)上。

  目前，有機金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)已經(jīng)取得了巨大突破，其最高光電轉(zhuǎn)換效率提高到25.8%(認(rèn)證為25.7%)。而傳統(tǒng)的鉛基鈣鈦礦材料的禁帶寬度在1.5 ~ 1.7 eV范圍內(nèi)，根據(jù)Shockley-Queisser (S-Q)模型，當(dāng)吸收層帶隙為1.33 eV時，電池具有最高的理論極限效率。采用Sn部分取代或全部取代Pb可以降低鈣鈦礦帶隙，當(dāng)Sn比例為20%時，帶隙能降至理想值1.33 eV左右。但20% Sn含量是鈣鈦礦帶隙變化的臨界值，其中存在大量的缺陷，導(dǎo)致非輻射復(fù)合造成嚴(yán)重的開路電壓損失(VOC loss)。根據(jù)以往的研究，造成開路電壓損失的具體原因主要有兩個：(1) Sn2+易氧化成Sn4+引起嚴(yán)重的自p摻雜，形成Sn空位并引入額外的p型電荷；(2) Sn與有機組分的反應(yīng)強于Pb，使得結(jié)晶過程過快和不受控，導(dǎo)致薄膜質(zhì)量較差，缺陷密度增加。

  基于此，研究人員通過定向選擇錨定策略對鈣鈦礦進行鈍化處理，獲得了理想帶隙鈣鈦礦太陽能電池22.51%的光電轉(zhuǎn)化效率記錄。研究結(jié)果表明，鉛錫混合鈣鈦礦太陽能電池中雙金屬的缺陷是導(dǎo)致其性能退化的主要原因，因此研究人員采用2-苯乙胺氫碘酸鹽 (PEAI)和乙二胺氫碘酸鹽 (EDAI)作為共修飾劑對鈣鈦礦進行表面處理，分別選擇性錨定與Pb和Sn相關(guān)的活性位點并對兩種金屬缺陷進行鈍化。最終鉛錫混合鈣鈦礦太陽能電池的開路電壓(VOC)從0.79 V大幅提高到0.90 V，開路電壓的損失降低到0.43 V。此外，器件表現(xiàn)出了極佳的穩(wěn)定性，在氮氣手套箱中存儲2700小時后，仍可以保持初始效率的80%。該工作為鉛錫鈣鈦礦太陽能電池管理金屬雙源缺陷提供了一個有效的鈍化機制。

  碩士研究生梁政、博士研究生徐慧芬為該論文的共同第一作者，潘旭研究員、肖正國教授、葉加久博士為論文的通訊作者。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃、安徽省杰出青年基金等項目的資助。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202110241。

圖1. (a) 不同鈣鈦礦組分的S-Q極限效率和VOC；(b) 不同Sn含量的鈣鈦礦帶隙和電池效率記錄；(c) 器件結(jié)構(gòu)圖及錨定分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)；(d)  STA處理后的SEM表面和截面圖；(e) 對照組、EDAI、PEAI和STA器件的正掃和反掃J-V曲線；(f) 對照組、EDAI、PEAI和STA器件的EQE圖和積分電流圖。

圖2. 用DFT計算VAPb (a)和VASn (b)的能級深度；(c) 對照組、EDAI、PEAI和STA的TAS圖。