鈣鈦礦太陽能電池經(jīng)過十幾年發(fā)展已成為一種極具商業(yè)潛力的光伏技術，目前其光電轉換效率達到商業(yè)化晶硅電池的水平，大面積制備技術路線也日漸成熟。穩(wěn)定性問題成為制約鈣鈦礦太陽能電池發(fā)展的最主要因素。MA+或甲脒CsPbI3受制于鈣鈦礦容忍因子較小限制，依然存在相穩(wěn)定性問題。并且這類材料中的缺陷濃度較高，電池內(nèi)部存在嚴重的載流子非輻射復合損失，降低了電池的輸出電壓。
青島能源所固態(tài)能源系統(tǒng)技術中心在CsPbI3無機鈣鈦礦方向進行了深入研究。
采用X位部分Br摻雜，制備CsPbI2Br，可以顯著提高鈣鈦礦的容忍因子，提高其相穩(wěn)定性（Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 5587、Small Struct. 2020, 2000089），然而會引起帶隙增加，降低器件的太陽光利用率。采用A位摻雜可以在有效提高相穩(wěn)定性的同時，降低DMA+）或ACS Energy Lett. 2020, 5, 263、Adv. Energy Mater. 2020, 2002754、Adv. Mater. 2020, 2001054、Sol. RRL 2021, 2100166）。但由于薄膜中依然存在大量缺陷，嚴重影響光生載流子的高效分離和傳輸?；诖?，該中心提出在薄膜內(nèi)部構建本體異質(zhì)結的思路，通過縮短光生載流子在半導體層中停留時間來減小載流子的復合損失。但如何實現(xiàn)穩(wěn)定的鈣鈦礦與鈣鈦礦的異質(zhì)結又是另一難題，因為傳統(tǒng)的有機-無機雜化鈣鈦礦材料中存在顯著的離子遷移，這種離子遷移會使鈣鈦礦成分趨向于均勻分布。而銫基鈣鈦礦較大的離子遷移勢壘滿足于構建體相異質(zhì)結的先天條件。最終，科研人員通過中間相調(diào)控的策略，實現(xiàn)了n型導電的銫基鈣鈦礦摻雜相和p型導電的非摻雜相的穩(wěn)定本體異質(zhì)結。
結果表明，p型和n型鈣鈦礦半導體的有效接觸明顯促進了電子和空穴的分離與運輸，減少了在電池界面處的載流子積累。得益于異質(zhì)結策略的有效性，提高了電池的開路電壓，降低了電池中存在的回滯效應，電池的光照運行穩(wěn)定性隨之帶來了顯著的改善。
體異質(zhì)結鈣鈦礦太陽能電池中載流子傳輸與器件性能示意圖
相關研究成果近日已發(fā)表在Joule《焦耳》期刊上，論文第一作者為青島能源所的科研助理孫秀紅，通訊作者為逄淑平研究員、崔光磊研究員、邵志鵬副研究員與北京工業(yè)大學的盧岳教授。該工作得到了國家自然科學基金、中科院青年創(chuàng)新促進會、山東省重點研發(fā)計劃等項目的支持與資助。
Xiuhong Sun,# Zhipeng Shao,#,* Zhipeng Li, Dachang Liu, Caiyun Gao, Chen Chen, Bingqian Zhang, Lianzheng Hao, Qiangqiang Zhao, Yimeng Li, Xianzhao Wang, Yue Lu,* Xiao Wang, Guanglei Cui* and Shuping Pang*. Highly efficient CsPbI3/Cs1-xDMAxPbI3 bulk heterojunction perovskite solar cell. Joule, DOI: 10.1016/j.joule.2022.02.004.
