北理工鈣鈦礦太陽能電池研究進展

近日，《先進材料》（Advanced Materials）在線發表了北京理工大學陳棋教授課題組與北京大學周歡萍教授課題組關於鈣鈦礦太陽能電池的聯合研究成果，文章第一作者為劉宗豪博士（論文信息見文末）。

近年來，有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池因其效率高、成本低而受到廣泛專註。其中，如何構築高厚度低缺陷的鈣鈦礦異質結是未來鈣鈦礦太陽能電池商業化的研究重點，因為這直接影響鈣鈦礦電池的良品率和工藝成本。

陳棋和周歡萍教授課題組的研究人員通過在鈣鈦礦前驅體溶液中引入已經商業化的廉價甲胺乙醇溶液作為添加劑，製備出了高品質的鈣鈦礦薄膜（厚度達到600納米以上）和相關器件。實驗發現：1）甲胺乙醇溶液的引入能夠有效抑制碘單質的生成，避免其對器件性能的不良影響，而且大大提高了對前驅體物料比的精確控制；2）甲胺乙醇添加劑還能夠通過配位作用調控鈣鈦礦前驅體溶液的膠體顆粒大小，降低多碘-鉛配合物的濃度，進而影響鈣鈦礦薄膜的成膜過程及薄膜質量；3）一定量的甲胺乙醇添加劑還能夠降低結晶過程中的成核速率，有效促進鈣鈦礦晶粒的長大，消除晶界對器件性能的不利影響。相較於參比樣品，基於甲胺乙醇添加劑的鈣鈦礦薄膜具有較長的熒光壽命（511.9 ns vs. 271.4 ns）、較低的能量帶邊電子排布無序性（烏爾巴赫能，21.4 eV vs. 24.7 eV）和較長的自旋壽命（31 ps， 14K），其缺陷密度降低到原來的十分之一（1.5×1015 cm-3 vs.1.38×1016 cm-3）。通過這一簡單的方法，基於厚度為650 nm的高質量薄膜的鈣鈦礦太陽能電池獲得了20.02%的光電轉化效率和超過19%的穩定輸出效率。更重要的是，該方法工藝簡單、普適性強，在工業化應用中具有很大的優勢。

實驗室帶頭人簡介

陳棋北京理工大學「青年千人計劃」特聘教授，研究方向：鈣鈦礦太陽能電池

周歡萍北京大學「青年千人計劃」特聘教授，研究方向：功能型無機，無機／有機雜化材料，並探索其在能源、催化等領域的應用

相關論文信息

標題Chemical Reduction of Intrinsic Defects in Thicker Heterojunction Planar Perovskite Solar Cells

作者Zonghao Liu, Junnan Hu, Haoyang Jiao, Liang Li, GuanhaojieZheng, Yihua Chen, Yuan Huang, Qing Zhang, Chao Shen, Qi Chen, and Huanping Zhou

期刊Advanced Materials

DOI: 10.1002/adma.201606774.

摘要Minimization of defects in absorber materials is essential for hybrid perovskite solar cells, especially when constructing thick polycrystalline layers in a planar configuration. Here, a simple methylamine solution-based additive is reported to improve film quality with nearly an order of magnitude reduction in intrinsic defect concentration. In the resultant film, an increase in carrier lifetime as a result of a decrease in shallow electronic disorder is observed. This superior crystalline film quality is further evidenced via a doubled spin relaxation time as compared with other reports. Bearing sufficient carrier diffusion length, a thick absorber layer (≈650 nm) is implemented in planar devices to achieve a champion power conversion efficiency of 20.02% with a stabilized output efficiency of 19.01% under one sun illumination. This work demonstrates a simple approach to improve hybrid perovskite film quality by substantial reduction of intrinsic defects for wide applications in optoelectronics.

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