近年來，鈣鈦礦太陽能電池因其高的轉(zhuǎn)換效率、簡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。鈣鈦礦太陽能電池實(shí)際應(yīng)用的重要瓶頸和關(guān)鍵問題在于如何實(shí)現(xiàn)低成本、大面積、高效率器件及解決穩(wěn)定性的難題。

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)?；苽涮峁┝艘环N思路。

相關(guān)工作發(fā)表于Joule (DOI: 10.1016/j.joule.2018.10.025)上。

圖1. 全程風(fēng)刀涂布制備高效率鈣鈦礦太陽能電池

文獻(xiàn)信息：Ding J, Han Q, Ge Q Q, et al. Fully Air-Bladed High-Efficiency Perovskite Photovoltaics[J]. Joule, 2018.

在HTL方面，開發(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PCE（Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 10959）。

文獻(xiàn)信息：Ge Q Q, Shao J Y, Ding J, et al. A Two‐Dimensional Hole‐Transporting Material for High‐Performance Perovskite Solar Cells with 20% Average Efficiency[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2018, 57(34): 10959-10965.

在ETL方面，研究人員發(fā)現(xiàn)在無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ETL器件PCE低的原因。據(jù)此，他們提出通過延長載流子壽命來解決無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ETL鈣鈦礦光伏器件（下圖）。

?高效率無電子傳輸層鈣鈦礦太陽能電池

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)的依賴問題，也為鈣鈦礦光伏技術(shù)的低成本規(guī)?；苽涮峁┝硕鄻踊倪x擇。相關(guān)工作發(fā)表于Chem上（Chem, 2018, 4, 2405-2417）。

文獻(xiàn)信息：Han Q, Ding J, Bai Y, et al. Carrier dynamics engineering for high-performance electron-transport-layer-free perovskite photovoltaics[J]. Chem, 2018, 4(10): 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能電池的空氣穩(wěn)定性和光電轉(zhuǎn)換效率。

文獻(xiàn)信息：

Gao X X, Xue D J, Gao D, et al. High‐Mobility Hydrophobic Conjugated Polymer as Effective Interlayer for Air‐Stable Efficient Perovskite Solar Cells[J]. Solar RRL, 1800232.

Liu J, Ge Q, Zhang W, et al. Highly π-extended copolymer as additive-free hole-transport material for perovskite solar cells[J]. Nano Research, 2018, 11(1): 185-194.

相比于有機(jī)無機(jī)復(fù)合鈣鈦礦材料，純無機(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（下圖）。

極性溶劑誘導(dǎo)立方相CsPbI3納米晶的晶格畸變及其多級(jí)次自組裝

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。

文獻(xiàn)信息：Sun J K, Huang S, Liu X Z, et al. Polar Solvent Induced Lattice Distortion of Cubic CsPbI₃ Nanocubes and Hierarchical Self-Assembly into Orthorhombic Single-Crystalline Nanowires[J]. Journal of the American Chemical Society, 2018, 140(37): 11705-11715.

在此基礎(chǔ)上，研究人員發(fā)展了一種方法，通過高介電常數(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)太陽能電池，獲得了11.3%的PCE（下圖），這是目前為止報(bào)道的全無機(jī)純CsPbI3鈣鈦礦太陽能電池的最高效率。

室溫?zé)崃W(xué)穩(wěn)定的正交光伏相g-CsPbI₃薄膜及全無機(jī)鈣鈦礦太陽能電池

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，為解決全無機(jī)CsPbI₃鈣鈦礦光伏相室溫下結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定問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。

文獻(xiàn)信息：Zhao B, Jin S F, Huang S, et al. Thermodynamically stable orthorhombic γ-CsPbI3 thin films for high-performance photovoltaics[J]. Journal of the American Chemical Society, 2018, 140(37): 11716-11725.