金屬鹵化物鈣鈦礦因其優(yōu)異的光電性能和低成本的制造技術(shù)而成為有前景的光伏材料。然而，鈣鈦礦太陽能電池(PSC)的性能和穩(wěn)定性受到光學(xué)活性相晶體的隨機取向和體/界面缺陷的顯著影響。為此，清華大學(xué)電機系易陳誼課題組開發(fā)了一種多功能有機材料仲班酸(PA)，用于調(diào)節(jié)結(jié)晶，形成了具有集中面外空間取向的鈣鈦礦薄膜;同時利用PA進行界面處理，實現(xiàn)了對鈣鈦礦太陽能電池體相和界面缺陷的協(xié)同鈍化。由此制備的PSC實現(xiàn)了26.03%的光電轉(zhuǎn)換效率(認證為25.51%)，并具有出色的環(huán)境穩(wěn)定性。在加速老化測量條件下(ISOS-L-1I)，電池在2000小時最大功率點輸出后仍可保持初始效率的96.3%?；谔砑觿┑木w取向的調(diào)控和缺陷的綜合鈍化為促進鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展提供了一種新方法。

圖1.添加劑對鈣鈦礦結(jié)晶取向調(diào)控分析測試結(jié)果及影響機制示意圖

研究人員通過在鈣鈦礦中添加仲班酸(PA)調(diào)控鈣鈦礦結(jié)晶，并且在體相添加PA的基礎(chǔ)上，進一步探索了在鈣鈦礦表面沉積PA鈍化層抑制表面缺陷。為了探究PA添加對鈣鈦礦(PVK)薄膜結(jié)晶過程的影響，研究人員開展了原位掠入射廣角X射線散射(GIWAXS)研究。結(jié)果顯示，摻雜PA的PVK薄膜在結(jié)晶過程中(100)晶面的空間取向發(fā)生了顯著變化，更傾向于集中的面外取向。通過整合50至100秒的原位GIWAXS圖像，發(fā)現(xiàn)這種取向變化隨著退火溫度的升高逐漸發(fā)生。X射線衍射(XRD)分析表明，PA輔助結(jié)晶的鈣鈦礦(100)晶面結(jié)晶度提高，同時殘留PbI?含量降低，可避免過量殘留PbI?可能導(dǎo)致的電池性能下降。

圖2.添加劑分子對鈣鈦礦薄膜表面缺陷的影響機制的實驗及理論分析

傅里葉變換紅外光譜(FTIR)和X射線光電子能譜(XPS)測試揭示了PA與鈣鈦礦之間的相互作用機制，即PA所屬的-C=O與鈣鈦礦中的鉛(Pb)配位，以及-NH與碘(I)之間形成了氫鍵。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合密度泛函理論(DFT)計算揭示了PA調(diào)控鈣鈦礦結(jié)晶和鈍化鈣鈦礦表面缺陷的機制。

對完整太陽能電池性能的測試表明，PA雙處理的PSCs在光電性能方面相對無處理(對照組)和單處理(單體相摻雜和單界面處理)有顯著提升。基于PA雙處理制備的PSCs器件實現(xiàn)了26.03%的高光電轉(zhuǎn)換效率，第三方認證的效率為25.51%。1cm2有效面積的PSCs獲得了24.86%的光電轉(zhuǎn)換效率。光電性能的提升主要歸因于非輻射復(fù)合損失的減少，以及對鈣鈦礦體相和界面缺陷的有效鈍化。在穩(wěn)定性測試中，PA雙處理的PSCs器件展現(xiàn)出了卓越的性能。在ISOS-L-1I加速老化測試條件下，經(jīng)過2000小時的持續(xù)最大功率點輸出，其光電轉(zhuǎn)換效率仍能保持初始值的96.3%。相比之下，未處理PSCs的效率僅保留了初始值的36.0%。在85°C的高溫和高濕度(50%-80%RH，25°C)條件下，PA雙處理的PSCs也表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。

圖3.添加劑分子對鈣鈦礦太陽能電池效率及穩(wěn)定性的影響

該多功能添加劑在結(jié)晶調(diào)控、空間取向和界面缺陷鈍化之間的協(xié)同作用，展示了其在提升鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩(wěn)定性方面的巨大潛力。

相關(guān)研究成果以“一石二鳥：通過協(xié)同結(jié)晶和界面調(diào)節(jié)，鈣鈦礦太陽能電池的效率超過26%”(One-stone-two-birds:over26