鈣鈦礦太陽(yáng)能電池具有成本低、光電轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)十多年的快速發(fā)展，鈣鈦礦單結(jié)電池效率已超過(guò)25%，基于鈣鈦礦的多結(jié)疊層電池效率已超過(guò)30%，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池被認(rèn)為是未來(lái)最具應(yīng)用潛力的光伏技術(shù)之一。光電轉(zhuǎn)換效率是太陽(yáng)能電池的核心指標(biāo)之一，為實(shí)現(xiàn)高效率的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，人們常采用可與鈣鈦礦形成I型異質(zhì)結(jié)能級(jí)結(jié)構(gòu)的二次相碘化鉛(PbI2)來(lái)阻擋載流子在多晶鈣鈦礦晶界或表面缺陷處復(fù)合。早期半導(dǎo)體所團(tuán)隊(duì)曾發(fā)現(xiàn)基于二次相PbI2的鈣鈦礦電池較難兼顧效率和穩(wěn)定性(Advanced Materials, 2017,29,1703852)。主要原因是PbI2二次相的存在可能提供了鈣鈦礦分解以及離子移動(dòng)通道，使得鈣鈦礦材料以及電池器件長(zhǎng)期穩(wěn)定性較差，且易產(chǎn)生較大的電滯。因此，如何設(shè)計(jì)穩(wěn)定的二次相，既能實(shí)現(xiàn)鈍化鈣鈦礦缺陷，又能獲得穩(wěn)定的鈣鈦礦吸光材料，從而實(shí)現(xiàn)既高效又穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池是當(dāng)前該領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。圖1 (A)具有PIRC二次相鈣鈦礦的掃描電子顯微鏡照片，(B)有無(wú)PIRC的鈣鈦礦薄膜X射線衍射圖譜（插圖為局部放大圖），(C)與(D)分別為有無(wú)PIRC的鈣鈦礦電導(dǎo)與溫度關(guān)系圖。最近，半導(dǎo)體所游經(jīng)碧研究員領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)通過(guò)在鈣鈦礦材料中引入少量氯化銣(RbCl)，可將常見(jiàn)的引起鈣鈦礦不穩(wěn)定的二次相PbI2轉(zhuǎn)化成為全新的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性好的(PbI2)2RbCl（簡(jiǎn)稱PIRC）（圖1A,1B）。實(shí)現(xiàn)了85oC條件下鈣鈦礦材料熱穩(wěn)定性大幅度提升，同時(shí)鈣鈦礦材料的離子遷移勢(shì)壘提高了3倍，離子遷移得到了有效抑制（圖1C，1D）。除此之外，他們還發(fā)現(xiàn)通過(guò)抑制PbI2消除了鈣鈦礦/PbI2界面的強(qiáng)限域?qū)е碌哪軒ё兇髥?wèn)題，減小了鈣鈦礦材料的帶隙，擴(kuò)展了對(duì)太陽(yáng)光吸收范圍。基于獲得的高穩(wěn)定性、光吸收擴(kuò)展的鈣鈦礦材料，半導(dǎo)體所團(tuán)隊(duì)研制出認(rèn)證效率為25.6%的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（圖2A），為目前公開(kāi)發(fā)表的單結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池世界最高效率。電池器件1000小時(shí)放置和85攝氏度加速老化分別保持初始效率的96%和80%（圖2B，2C）。該工作同時(shí)實(shí)現(xiàn)了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的高光電轉(zhuǎn)換效率和高穩(wěn)定性，為鈣鈦礦電池的進(jìn)一步發(fā)展以及產(chǎn)業(yè)化奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。圖2 (A)第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)美國(guó)Newport認(rèn)證書(shū)，認(rèn)證效率為25.6%，插圖為認(rèn)證效率曲線，(B)有無(wú)穩(wěn)定二次相PIRC器件放置的電流-電壓曲線，(C)有無(wú)穩(wěn)定二次相PIRC器件在85oC加速老化下的穩(wěn)定性。此項(xiàng)成果以發(fā)表于《Science》雜志(Inactive (PbI2)2RbCl stabilizes perovskite films for efficient solar cells,Science,2022,377,531-534. doi/10.1126/science.abp8873)，半導(dǎo)體所博士后趙洋是該論文的第一作者，博士生馬飛、瞿子涵分別為論文的第二、第三作者，游經(jīng)碧研究員為該論文的通訊作者。該工作得到了半導(dǎo)體所張興旺研究員的悉心指導(dǎo)與大力支持，還得到了半導(dǎo)體所鄧惠雄研究員（晶體結(jié)構(gòu)理論模擬）和中南大學(xué)袁永波教授（離子遷移表征）的研究支持。同時(shí)，感謝上海同步輻射楊迎國(guó)研究員以及武漢大學(xué)柯維俊教授等對(duì)研究工作給予的幫助和寶貴的建議。該項(xiàng)工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家杰出青年科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院創(chuàng)新交叉團(tuán)隊(duì)、國(guó)家優(yōu)秀青年科學(xué)基金以及中南大學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)等項(xiàng)目的資助。同時(shí)也感謝北京市科委對(duì)本課題前期研究的大力支持。
參考資料：http://www.semi.ac.cn/xwdt/kyjz/202207/t20220729_6495431.html
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